JP4146170B2 - Magnetic random access memory - Google Patents

Magnetic random access memory Download PDF

Info

Publication number
JP4146170B2
JP4146170B2 JP2002176564A JP2002176564A JP4146170B2 JP 4146170 B2 JP4146170 B2 JP 4146170B2 JP 2002176564 A JP2002176564 A JP 2002176564A JP 2002176564 A JP2002176564 A JP 2002176564A JP 4146170 B2 JP4146170 B2 JP 4146170B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
write
bit line
read
word line
write bit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2002176564A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003249072A (en
Inventor
佳久 岩田
啓司 細谷
吉昭 浅尾
順一 宮本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2002176564A priority Critical patent/JP4146170B2/en
Publication of JP2003249072A publication Critical patent/JP2003249072A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4146170B2 publication Critical patent/JP4146170B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗(Mangeto Resistive)効果を利用する磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、新たな原理によりデータを記憶するメモリが数多く提案されているが、そのうちの一つに、トンネル磁気抵抗(Tunneling Mangeto Resistive:以後、TMRと表記する。)効果を利用する磁気ランダムアクセスメモリがある。
【0003】
磁気ランダムアクセスメモリの提案としては、例えば、Roy Scheuerlein et.alによる、ISSCC2000 Technical Digest p.128「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」が知られている。
【0004】
磁気ランダムアクセスメモリは、TMR素子により、“1”,“0”−データを記憶する。TMR素子の基本構造は、2つの磁性層(強磁性層)により絶縁層(トンネルバリア)を挟み込んだ構造である。但し、TMR素子の構造については、MR(Magneto Resistive)比の最適化などのため、種々の構造が提案されている(MR比及びTMR素子の構造については、例えば、特願2000−296082号、特願2001−37140号を参照)。
【0005】
TMR素子に記憶されるデータは、2つの磁性層の磁化状態が平行か、又は反平行かによって判断される。ここで、平行とは、2つの磁性層の磁化の向きが同じであることを意味し、反平行とは、2つの磁性層の磁化の向きが逆向きであることを意味する。
【0006】
通常、2つの磁性層のうちの1つ(固定層)には、反強磁性層が付設される。反強磁性層は、固定層の磁化の向きを固定するための部材である。従って、実際には、2つの磁性層のうちの他の1つ(自由層)の磁化の向きによって、TMR素子に記憶されるデータ(“1”又は“0”)が決定される。
【0007】
TMR素子の磁化状態が平行となった場合、そのTMR素子を構成する2つの磁性層の間に挟まれた絶縁層(トンネルバリア)のトンネル抵抗は、最も低くなる。例えば、この状態を“1”−状態とする。また、TMR素子の磁化状態が反平行となった場合、そのTMR素子を構成する2つの磁性層の間に挟まれた絶縁層(トンネルバリア)のトンネル抵抗は、最も高くなる。例えば、この状態を“0”−状態とする。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造については、現在、メモリ容量の大容量化、書き込み/読み出し動作の安定化などの観点から、種々の構造が検討されている。
【0009】
例えば、現在では、1つのメモリセルを1つのMOSトランジスタと1つのTMR素子(又はMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子)から構成するセルアレイ構造が知られている。また、読み出し動作の安定化を実現するため、このようなセルアレイ構造を有すると共に、1ビットデータを2つのメモリセルアレイを用いて記憶する磁気ランダムアクセスメモリも知られている。
【0010】
しかし、これらの磁気ランダムアクセスメモリでは、メモリ容量の増大を図ることが難しい。なぜなら、これらのセルアレイ構造では、1つのTMR素子に1つのMOSトランジスタが対応しているためである。
【0011】
ところで、例えば、特願2000−296082号には、複数のTMR素子を並列に接続したアレイ構造が提案されている。このセルアレイ構造によれば、複数のTMR素子に1つのMOSトランジスタが対応しているため、1つのメモリセルが1つのTMR素子と1つのMOSトランジスタとから構成されるセルアレイ構造に比べて、メモリ容量の増大を図ることができる。
【0012】
しかし、特願2000−296082号に開示される技術においても、TMR素子は、一平面内に二次元的に配置されるため、TMR素子を高密度に集積することが十分にできない。
【0013】
本発明の目的は、メモリ容量の増大に適した新規なセルアレイ構造を有する磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法を提案すること、その新規なセルアレイ構造に適した新規な読み出し動作原理を提案すること、並びに、その新規な読み出し動作原理を実現するための読み出し回路を提案することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、半導体基板上に積み重ねられ、かつ、直列接続される磁気抵抗効果を利用する複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルの全てのさらに上に配置され、前記複数のメモリセルの一端に接続される読み出しビット線と、前記読み出しビット線に接続される読み出し回路と、前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、X方向に延び、前記X方向と垂直なZ方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線と、前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、前記X方向に交差し、前記X方向及び前記Z方向に垂直なY方向に延びる書き込みビット線とを備える。前記複数のメモリセルの各々は、上部電極と下部電極に挟まれ、前記複数のメモリセルは、前記上部電極又は前記下部電極にコンタクトするコンタクトプラグにより、互いに直列接続される。前記書き込みワード線は、前記メモリセルの上部又は下部に配置され、且つ、前記書き込みビット線は、前記書き込みワード線の配置される側と反対側の、前記メモリセルの下部又は上部に配置され、前記メモリセルの間に配置される前記書き込みワード線及び前記書き込みビット線は、その上部及び下部に配置される前記メモリセルによって共有される。
【0016】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、半導体基板上に積み重ねられ、かつ、直列接続と並列接続の組み合わせにより構成される磁気抵抗効果を利用する複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルの全てのさらに上に配置され、前記複数のメモリセルの一端に接続される読み出しビット線と、前記読み出しビット線に接続される読み出し回路と、前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、X方向に延び、前記X方向と垂直なZ方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線と、前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、前記X方向に交差し、前記X方向及び前記Z方向に垂直なY方向に延びる書き込みビット線とを備える。前記複数のメモリセルの各々は、上部電極と下部電極に挟まれ、前記複数のメモリセルは、前記上部電極又は前記下部電極にコンタクトするコンタクトプラグにより、互いに直列接続と並列接続の組み合わせにより接続される。前記書き込みワード線は、前記メモリセルの上部又は下部に配置され、且つ、前記書き込みビット線は、前記書き込みワード線の配置される側と反対側の、前記メモリセルの下部又は上部に配置され、前記メモリセルの間に配置される前記書き込みワード線及び前記書き込みビット線は、その上部及び下部に配置される前記メモリセルによって共有される。
【0045】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、半導体基板上に積み重ねられ、かつ、直列接続される磁気抵抗効果を利用する複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルの全てのさらに上に配置され、前記複数のメモリセルの一端に接続される読み出しビット線と、前記読み出しビット線に接続される読み出し回路と、前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、X方向に延び、前記X方向と垂直なZ方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線と、前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、前記X方向に交差し、前記X方向及び前記Z方向に垂直なY方向に延びる書き込みビット線とを備え、前記複数のメモリセルの各々は、上部電極と下部電極に挟まれ、前記複数のメモリセルは、前記上部電極又は前記下部電極にコンタクトするコンタクトプラグにより、互いに直列接続され、前記書き込みワード線は、前記メモリセルの上部又は下部に配置され、且つ、前記書き込みビット線は、前記書き込みワード線の配置される側と反対側の、前記メモリセルの下部又は上部に配置され、前記メモリセルの間に配置される前記書き込みワード線及び前記書き込みビット線は、その上部及び下部に配置される前記メモリセルによって共有される磁気ランダムアクセスメモリに適用される。その製造方法は、前記半導体基板の表面領域に読み出し選択スイッチを形成するステップと、前記読み出し選択スイッチ上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第1の書き込みワード線を形成するステップと、前記第1の書き込みワード線の直上に第1のメモリセルを形成するステップと、前記第1のメモリセルの直上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる第1の書き込みビット線を形成するステップと、前記第1の書き込みビット線の直上に、前記第1の書き込みビット線に対して前記第1のメモリセルと対称となる第2のメモリセルを形成するステップと、前記第2のメモリセルの直上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第2の書き込みワード線を形成するステップと、前記第2の書き込みワード線の直上に、前記第2の書き込みワード線に対して前記第2のメモリセルと対称となる第3のメモリセルを形成するステップと、前記第3のメモリセルの直上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる第2の書き込みビット線を形成するステップと、前記第2の書き込みビット線の直上に、前記第2の書き込みビット線に対して前記第3のメモリセルと対称となる第4のメモリセルを形成するステップと、前記第4のメモリセルの直上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第3の書き込みワード線を形成するステップと、前記第3の書き込みワード線上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる前記読み出しビット線を形成するステップとから構成される。
【0046】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、半導体基板上に積み重ねられ、かつ、直列接続と並列接続の組み合わせにより構成される磁気抵抗効果を利用する複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルの全てのさらに上に配置され、前記複数のメモリセルの一端に接続される読み出しビット線と、前記読み出しビット線に接続される読み出し回路と、前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、X方向に延び、前記X方向と垂直なZ方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線と、前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、前記X方向に交差し、前記X方向及び前記Z方向に垂直なY方向に延びる書き込みビット線とを備え、前記複数のメモリセルの各々は、上部電極と下部電極に挟まれ、前記複数のメモリセルは、前記上部電極又は前記下部電極にコンタクトするコンタクトプラグにより、互いに直列接続と並列接続の組み合わせにより接続され、前記書き込みワード線は、前記メモリセルの上部又は下部に配置され、且つ、前記書き込みビット線は、前記書き込みワード線の配置される側と反対側の、前記メモリセルの下部又は上部に配置され、前記メモリセルの間に配置される前記書き込みワード線及び前記書き込みビット線は、その上部及び下部に配置される前記メモリセルによって共有される磁気ランダムアクセスメモリに適用される。その製造方法は、前記半導体基板の表面領域に読み出し選択スイッチを形成するステップと、前記読み出し選択スイッチ上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第1の書き込みワード線を形成するステップと、前記第1の書き込みワード線の直上に第1のメモリセルを形成するステップと、前記第1のメモリセルの直上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる第1の書き込みビット線を形成するステップと、前記第1の書き込みビット線の直上に、前記第1の書き込みビット線に対して前記第1のメモリセルと対称となる第2のメモリセルを形成するステップと、前記第2のメモリセルの直上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第2の書き込みワード線を形成するステップと、前記第2の書き込みワード線の直上に、前記第2の書き込みワード線に対して前記第2のメモリセルと対称となる第3のメモリセルを形成するステップと、前記第3のメモリセルの直上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる第2の書き込みビット線を形成するステップと、前記第2の書き込みビット線の直上に、前記第2の書き込みビット線に対して前記第3のメモリセルと対称となる第4のメモリセルを形成するステップと、前記第4のメモリセルの直上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第3の書き込みワード線を形成するステップと、前記第3の書き込みワード線上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる前記読み出しビット線を形成するステップとから構成される。
【0052】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気ランダムアクセスメモリについて詳細に説明する。
【0053】
1. 概要
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第一の特徴は、メモリセルアレイのセルアレイ構造にある。
【0054】
磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルの高集積化を図るための構造としては、例えば、特願2001−350013号や、特願2001−365236号などに開示されたメモリセルアレイ構造がある。
【0055】
本発明は、これらの文献に開示されるメモリセルアレイ構造を変形したメモリセルアレイ構造について提案する。即ち、本発明の磁気ランダムアクセスメモリでは、複数のTMR素子(又はMTJ素子)により読み出しブロックを構成し、その読み出しブロックを、読み出しビット線とソース線との間に接続する。
【0056】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第二の特徴は、読み出し動作原理にある。
【0057】
上述の第一の特徴に関わるセルアレイ構造を採用した場合、読み出し動作原理についても、工夫する必要がある。
【0058】
その読み出し動作原理については、特願2000−296082号、特願2001−350013号や、特願2001−365236号などに詳細に開示されている。本願では、これらの読み出し動作原理を、本発明の第一の特徴であるメモリセルアレイ構造に適用した場合をについて説明する。
【0059】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第三の特徴は、TMR素子の構造にある。
【0060】
上述の第二の特徴に関わる新たな読み出し動作原理を適用する場合には、読み出しブロック内の複数のTMR素子の構造を工夫しなければならない場合がある。そこで、本発明では、本発明の第二の特徴であるメモリセルアレイ構造を採用した場合におけるTMR素子の構造について説明する。
【0061】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第四の特徴は、読み出し回路の構成にある。
【0062】
本発明では、上述の第二及び第三の特徴により実現される読み出し動作原理を実行するために、新規な読み出し回路が必要となる。そこで、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路の具体例について提案する。
【0063】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第五の特徴は、磁気ランダムアクセスメモリの製造方法にある。
【0064】
本発明では、上述の第一の特徴に関わるセルアレイ構造を実現するために、新規な読み出し方法が必要となる。そこで、本発明では、上述の第一の特徴に関わるメモリセルアレイ構造を実現するための製造方法について提案する。
【0065】
2. セルアレイ構造
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造について説明する。本発明に関わるセルアレイ構造の特徴は、複数のTMR素子(又はMTJ素子)を、半導体基板の表面に対して垂直な方向(縦方向)に複数段に積み重ねた点にある。つまり、本発明のセルアレイ構造では、複数のTMR素子は、半導体基板上に三次元的に配置される。
【0066】
また、複数段に積み重ねられた複数のTMR素子は、読み出しビット線とソース線との間に直列、並列又はそれらの組み合せ(直並列)に接続される。
【0067】
このようなセルアレイ構造にすれば、TMR素子は、半導体基板上に三次元的に配置されると共に、複数のTMR素子に1つのMOSトランジスタ(読み出し選択スイッチ)を対応させればよいため、結果として、メモリ容量の増大に貢献することができる。
【0068】
(1) 構造例1
構造例1は、複数段に積み重ねられた複数のTMR素子を直列接続したセルアレイ構造に関する。
【0069】
▲1▼ 回路構造
まず、回路構造について説明する。
図1は、本発明の構造例1としての磁気ランダムアクセスメモリの主要部を示している。
【0070】
メモリセルアレイ11は、X方向、Y方向及びZ方向にアレイ状に配置される複数のTMR素子12を有する。ここで、Z方向とは、X方向及びY方向に直交する紙面に垂直な方向をいうものとする。
【0071】
本例では、メモリセルアレイ11は、X方向に配置されるj+1個のTMR素子12と、Y方向に配置されるn+1個のTMR素子12と、Z方向に積み重ねられる4個のTMR素子12とからなるセルアレイ構造を有する。Z方向に積み重ねされるTMR素子12の数は、本例では、4個であるが、その数は、複数個であれば、いくつであっても構わない。
【0072】
Z方向に積み重ねられた4個のTMR素子12は、互いに直列接続され、1つのブロックBKik(i=0,1,・・・j、k=0,1,・・・n)を構成している。ブロックBKik内の4個のTMR素子12は、実際には、紙面に垂直な方向(Z方向)に互いに重なり合っている。
【0073】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の一端は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWを経由して、接地点に接続される。
【0074】
本例では、X方向に配置されるj+1個のブロックBKikにより1つのロウが構成される。メモリセルアレイ11は、n+1個のロウを有する。また、Y方向に配置されるn+1個のブロックBKikにより1つのカラムが構成される。メモリセルアレイ11は、j+1個のカラムを有する。
【0075】
ブロックBKikを構成する4つのTMR素子12の近傍には、X方向に延び、Z方向に積み重ねられる複数本(本例では、3本)の書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2が配置される。但し、nは、ロウの番号であり、n=0,1,2,・・・である。
【0076】
X方向に延びる書き込みワード線に関しては、例えば、図217に示すように、1ロウ内の1つの段に1本の書き込みワード線を配置することができる。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数は、4本(WWL4n,WWL4n+1,WWL4n+2,WWL4n+3)、即ち、TMR素子12を積み重ねる段数と同じとなる。
【0077】
また、Y方向に延びる書き込みビット線に関しても、例えば、図217に示すように、1カラム内の1つの段に1本の書き込みビット線を配置することができる。この場合、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の数は、4本(BLj0,BLj1,BLj2,BLj3)、即ち、TMR素子12を積み重ねる段数と同じとなる。
【0078】
しかし、本例では、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の少なくとも1本を2つのTMR素子(上段のTMR素子と下段のTMR素子)で共有するようにしている。具体的には、本例では、書き込みワード線WWL3n+1が二段目と三段目のTMR素子に共有される。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数が減少し、TMR素子12の直下の絶縁膜の平坦化や製造コストの低下を実現できる。
【0079】
ブロック構造から考えると、例えば、図218に示すように、一段目と二段目のTMR素子で1本の書き込みワード線を共有し、三段目と四段目のTMR素子で1本の書き込みワード線を共有することもできる。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数は、2本(WWL2n,WWL2n+1)にすることができる。
【0080】
それにもかかわらず、本例で、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数を3本としたのは、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の位置を考慮したためである。
【0081】
即ち、本例では、一段目のTMR素子12と二段目のTMR素12の間にY方向に延びる1本の書き込みビット線BLj0が配置され、三段目のTMR素子12と四段目のTMR素子12の間にY方向に延びる1本の書き込みビット線BLj1が配置される。
【0082】
その結果、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線に関しては、一段目と二段目のTMR素子で1本の書き込みビット線が共有され、三段目と四段目のTMR素子で1本の書き込みビット線が共有される。この場合、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の数は、2本となる。
【0083】
なお、図1では、TMR素子12を立体的に描けないという理由から、2本の書き込みビット線BLj0,BLj1は、ブロックBKjn内の4つのTMR素子12を挟み込むように描かれているが、実際は、上述のように、一段目のTMR素子と二段目のTMR素の間に1本の書き込みビット線BLj0が配置され、三段目のTMR素子と四段目のTMR素子の間に1本の書き込みワード線BLj1が配置される。
【0084】
ブロック内のTMR素子及びその近傍における具体的構造については、後述するデバイス構造の説明で明らかになる。
【0085】
X方向に延びる書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2の一端は、書き込みワード線ドライバ23A−nに接続され、その他端は、書き込みワード線シンカー24−nに接続される。
【0086】
読み出し選択スイッチRSWのゲートは、読み出しワード線RWLn(n=0,1,2,・・・)に接続される。1本の読み出しワード線RWLnは、1つのカラム内の1つのブロックBKjkに対応し、かつ、X方向に配置される複数のブロックBKjkに共通となっている。
【0087】
例えば、1つのカラムが4つのブロックから構成される場合、読み出しワード線RWLnの数は、4本となる。読み出しワード線RWLnは、X方向に延び、その一端は、読み出しワード線ドライバ23B−nに接続される。
【0088】
ロウデコーダ25−nは、書き込み動作時、ロウアドレス信号に基づいて、書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2のうちの1本を選択する。書き込みワード線ドライバ23A−nは、選択された書き込みワード線に書き込み電流を供給する。書き込み電流は、選択されたワード線を流れ、書き込みワード線シンカー24−nに吸収される。
【0089】
ロウデコーダ25−nは、読み出し動作時、例えば、上位ロウアドレス信号に基づいて、1ロウ内のブロックを選択する。読み出しワード線ドライバ23B−nは、選択されたブロックBKに接続される読み出しワード線RWLnに読み出しワード線電圧を供給する。選択されたブロックBKでは、読み出し選択スイッチRSWがオン状態となるため、読み出し電流は、選択されたブロックBK内の複数のTMR素子を経由して、接地点に向かって流れる。
【0090】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の他端は、読み出しビット線BLjに接続される。読み出しビット線BLjの一端は、カラム選択スイッチ(MOSトランジスタ)SWAを経由して、共通データ線28に接続される。共通データ線28は、読み出し回路(センスアンプを含む)29Bに接続される。
【0091】
書き込みビット線BLj0,BLj1の一端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック29Aに接続される。
【0092】
書き込みビット線BLj0,BLj1の他端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック31に接続される。
【0093】
カラム選択スイッチSWAのゲートには、カラム選択線信号CSLj(j=0,1,・・・)が入力される。カラムデコーダ32は、カラム選択線信号CSLjを出力する。
【0094】
本例の磁気ランダムアクセスメモリでは、1つのカラムは、複数のブロックから構成され、ブロック単位で読み出しを行う。また、1つのブロックは、複数段に積み重ねられ、互いに直列接続される複数のTMR素子から構成される。
【0095】
このようなセルアレイ構造にすれば、TMR素子は、半導体基板上に三次元的に配置されると共に、複数のTMR素子に1つのMOSトランジスタ(読み出し選択スイッチ)を対応させればよいため、結果として、メモリ容量の増大に貢献することができる。
【0096】
▲2▼ デバイス構造
次に、デバイス構造について説明する。
図2及び図3は、本発明の構造例1としての磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のデバイス構造を示している。
【0097】
図2は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のY方向の断面を表し、図3は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のX方向の断面を表している。図2及び図3に示される要素には、図1の回路の要素と対応がとれるように、図1と同じ符号が付してある。
【0098】
半導体基板41の表面領域には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが配置される。読み出し選択スイッチRSWのソースは、ソース線SLを経由して接地点に接続される。ソース線SLは、例えば、X方向に一直線に延びている。
【0099】
読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのゲートは、読み出しワード線RWLnとなっている。読み出しワード線RWLnは、X方向に延びている。読み出し選択スイッチRSW上には、4個のTMR素子(MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子)MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4が積み重ねられている。
【0100】
TMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4の各々は、下部電極41A1,41A2,41A3,41A4と上部電極41B1,41B2,41B3,41B4の間に配置されている。コンタクトプラグ42B,42C,42D,42E,42Fは、4個のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4を互いに直列接続する。
【0101】
最も下段のTMR素子MTJ1の下部電極41A1は、コンタクトプラグ42A,42B及び中間層43を経由して、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのドレインに接続される。最も上段のTMR素子MTJ4の上部電極41B4は、コンタクトプラグ42Fを経由して、Y方向に延びる読み出しビット線BLjに接続される。
【0102】
書き込みワード線WWL3nは、TMR素子MTJ1の直下に配置され、書き込みワード線WWL3n+1は、TMR素子MTJ2とTMR素子MTJ3との間に配置され、書き込みワード線WWL3n+2は、TMR素子MTJ4の直上に配置される。書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2は、X方向に延びている。
【0103】
書き込みビット線BLj0は、TMR素子MTJ1とTMR素子MTJ2との間に配置され、書き込みビット線BLj1は、TMR素子MTJ3とTMR素子MTJ4との間に配置される。書き込みビット線BLj0,BLj1は、Y方向に延びている。
【0104】
このようなデバイス構造によれば、1つの読み出し選択スイッチRSWに対して、複数(本例では、4個)のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4を設けている。また、これらのTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、読み出し選択スイッチRSW上に積み重ねられ、互いに直列に接続される。
【0105】
また、この場合、読み出しビット線BLjは、例えば、最上層に1本のみ設ければよい。また、書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2及び書き込みビット線BLj0,BLj1の少なくとも1本については、2つのTMR素子で共有させることが可能である。
【0106】
従って、このようなデバイス構造によれば、TMR素子を半導体基板上に高密度に配置することができるようになるため、メモリ容量の増大に貢献できる。また、TMR素子のアレイ内に配置される配線(書き込みワード線、書き込みビット線、読み出しビット線など)の数を減らすことができるため、TMR素子の直下の絶縁膜の平坦化を実現でき、TMR素子の特性を向上できる。
【0107】
▲3▼ 変形例
構造例1の変形例について説明する。
【0108】
図4及び図5は、構造例1の第1変形例を示している。
図4の回路図は、図1の回路図に対応し、また、図5のデバイス構造の断面図は、図2のデバイス構造の断面図に対応している。本例の構造が図1乃至図3の構造と異なる点は、読み出し選択スイッチを実現する素子にある。
【0109】
即ち、図1乃至図3の構造では、読み出し選択スイッチは、MOSトランジスタから構成されていた。これに対し、本例の構造では、読み出し選択スイッチは、ダイオードDIから構成される。これに伴い、読み出しワード線RWL0,・・・RWLnは、ダイオードDIのカソードに接続される。
【0110】
本例の構造を採用した場合、読み出し動作時には、選択されたロウの読み出しワード線RWLiを“L”、即ち、接地電位に設定する。この時、選択されたロウのブロックを構成する直列接続された複数のTMR素子に、読み出し電流を流すことができる。
【0111】
図6及び図7は、構造例1の第2変形例を示している。
図6の回路図は、図1の回路図に対応し、また、図7のデバイス構造の断面図は、図2のデバイス構造の断面図に対応している。本例の構造が図1乃至図3の構造と異なる点は、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタの種類にある。
【0112】
即ち、図1乃至図3の構造では、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタは、MOSトランジスタであった。これに対し、本例の構造では、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタは、バイポーラトランジスタとなっている。
【0113】
本例の構造の場合、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタの全てをバイポーラトランジスタにしてもよいし、その一部をバイポーラトランジスタにしてもよい。
【0114】
(2) 構造例2
構造例2は、複数段に積み重ねられた複数のTMR素子を並列接続したセルアレイ構造に関する。
【0115】
▲1▼ 回路構造
まず、回路構造について説明する。
図8は、本発明の構造例2としての磁気ランダムアクセスメモリの主要部を示している。
【0116】
メモリセルアレイ11は、X方向、Y方向及びZ方向にアレイ状に配置される複数のTMR素子12を有する。Z方向とは、X方向及びY方向に直交する紙面に垂直な方向をいう。
【0117】
メモリセルアレイ11は、X方向に配置されるj+1個のTMR素子12と、Y方向に配置されるn+1個のTMR素子12と、Z方向に積み重ねられる4個のTMR素子12とからなるセルアレイ構造を有する。Z方向に積み重ねされるTMR素子12の数は、本例では、4個であるが、その数は、複数個であれば、いくつであっても構わない。
【0118】
Z方向に積み重ねられた4個のTMR素子12は、互いに並列接続され、1つのブロックBKik(i=0,1,・・・j、k=0,1,・・・n)を構成している。ブロックBKik内の4個のTMR素子12は、実際には、紙面に垂直な方向(Z方向)に互いに重なり合っている。
【0119】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の一端は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWを経由して、接地点に接続される。
【0120】
本例では、X方向に配置されるj+1個のブロックBKikにより1つのロウが構成される。メモリセルアレイ11は、n+1個のロウを有する。また、Y方向に配置されるn+1個のブロックBKikにより1つのカラムが構成される。メモリセルアレイ11は、j+1個のカラムを有する。
【0121】
ブロックBKikを構成する4つのTMR素子12の近傍には、X方向に延び、Z方向に積み重ねられる複数本(本例では、3本)の書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2が配置される。但し、nは、ロウの番号であり、n=0,1,2,・・・である。
【0122】
X方向に延びる書き込みワード線に関しては、例えば、図219に示すように、1ロウ内の1つの段に1本の書き込みワード線を配置することができる。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数は、4本(WWL4n,WWL4n+1,WWL4n+2,WWL4n+3)、即ち、TMR素子12を積み重ねる段数と同じとなる。
【0123】
また、Y方向に延びる書き込みビット線に関しても、例えば、図219に示すように、1カラム内の1つの段に1本の書き込みビット線を配置することができる。この場合、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の数は、4本(BLj0,BLj1,BLj2,BLj3)、即ち、TMR素子12を積み重ねる段数と同じとなる。
【0124】
しかし、本例では、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の少なくとも1本を2つのTMR素子(上段のTMR素子と下段のTMR素子)で共有するようにしている。具体的には、本例では、書き込みワード線WWL3n+1が二段目のTMR素子と三段目のTMR素子に共有される。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数が減少し、TMR素子12の直下の絶縁膜の平坦化や製造コストの低下を実現できる。
【0125】
ブロック構造から考えると、例えば、図220に示すように、一段目と二段目のTMR素子で1本の書き込みワード線を共有し、三段目と四段目のTMR素子で1本の書き込みワード線を共有することもできる。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数は、2本(WWL2n,WWL2n+1)にすることができる。
【0126】
それにもかかわらず、本例で、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数を3本としたのは、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の位置を考慮したためである。
【0127】
即ち、本例では、一段目のTMR素子12と二段目のTMR素12の間にY方向に延びる1本の書き込みビット線BLj0が配置され、三段目のTMR素子12と四段目のTMR素子12の間にY方向に延びる1本の書き込みビット線BLj1が配置される。
【0128】
その結果、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線に関しては、一段目と二段目のTMR素子で1本の書き込みビット線が共有され、三段目と四段目のTMR素子で1本の書き込みビット線が共有される。この場合、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の数は、2本となる。
【0129】
なお、図8では、TMR素子12を立体的に描けないという理由から、2本の書き込みビット線Bj0,BLj1は、ブロックBjn内の4つのTMR素子12に交差するように描かれているが、実際は、上述のように、一段目のTMR素子と二段目のTMR素の間に1本の書き込みビット線BLj0が配置され、三段目のTMR素子と四段目のTMR素子の間に1本の書き込みワード線BLj1が配置される。
【0130】
ブロック内のTMR素子及びその近傍における具体的構造については、後述するデバイス構造の説明で明らかにする。
【0131】
X方向に延びる書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2の一端は、書き込みワード線ドライバ23A−nに接続され、その他端は、書き込みワード線シンカー24−nに接続される。
【0132】
読み出し選択スイッチRSWのゲートは、読み出しワード線RWLn(n=0,1,2,・・・)に接続される。1本の読み出しワード線RWLnは、1つのカラム内の1つのブロックBKjkに対応し、かつ、X方向に配置される複数のブロックBKjkに共通となっている。
【0133】
例えば、1つのカラムが4つのブロックから構成される場合、読み出しワード線RWLnの数は、4本となる。読み出しワード線RWLnは、X方向に延び、その一端は、読み出しワード線ドライバ23B−nに接続される。
【0134】
ロウデコーダ25−nは、書き込み動作時、ロウアドレス信号に基づいて、書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2のうちの1本を選択する。書き込みワード線ドライバ23A−nは、選択された書き込みワード線に書き込み電流を供給する。書き込み電流は、選択されたワード線を流れ、書き込みワード線シンカー24−nに吸収される。
【0135】
ロウデコーダ25−nは、読み出し動作時、例えば、上位ロウアドレス信号に基づいて、1ロウ内のブロックを選択する。読み出しワード線ドライバ23B−nは、選択されたブロックBKに接続される読み出しワード線RWLnに読み出しワード線電圧を供給する。選択されたブロックBKでは、読み出し選択スイッチRSWがオン状態となるため、読み出し電流は、選択されたブロックBK内の複数のTMR素子を経由して、接地点に向かって流れる。
【0136】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の他端は、読み出しビット線BLjに接続される。読み出しビット線BLjの一端は、カラム選択スイッチ(MOSトランジスタ)SWAを経由して、共通データ線28に接続される。共通データ線28は、読み出し回路(センスアンプを含む)29Bに接続される。
【0137】
書き込みビット線BLj0,BLj1の一端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック29Aに接続される。
【0138】
書き込みビット線BLj0,BLj1の他端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック31に接続される。
【0139】
カラム選択スイッチSWAのゲートには、カラム選択線信号CSLj(j=0,1,・・・)が入力される。カラムデコーダ32は、カラム選択線信号CSLjを出力する。
【0140】
本例の磁気ランダムアクセスメモリでは、1つのカラムは、複数のブロックから構成され、ブロック単位で読み出しを行う。また、1つのブロックは、複数段に積み重ねられ、互いに並列接続される複数のTMR素子から構成される。
【0141】
このようなセルアレイ構造にすれば、TMR素子は、半導体基板上に三次元的に配置されると共に、複数のTMR素子に1つのMOSトランジスタ(読み出し選択スイッチ)を対応させればよいため、結果として、メモリ容量の増大に貢献することができる。
【0142】
▲2▼ デバイス構造
次に、デバイス構造について説明する。
図9及び図10は、本発明の構造例2としての磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のデバイス構造を示している。
【0143】
図9は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のY方向の断面を表し、図10は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のX方向の断面を表している。図9及び図10に示される要素には、図8の回路の要素と対応がとれるように、図8と同じ符号が付してある。
【0144】
半導体基板41の表面領域には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが配置される。読み出し選択スイッチRSWのソースは、ソース線SLを経由して接地点に接続される。ソース線SLは、例えば、X方向に一直線に延びている。
【0145】
読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのゲートは、読み出しワード線RWLnとなっている。読み出しワード線RWLnは、X方向に延びている。読み出し選択スイッチRSW上には、4個のTMR素子(MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子)MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4が積み重ねられている。
【0146】
TMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4の各々は、下部電極41A1,41A2,41A3,41A4と上部電極41B1,41B2,41B3,41B4の間に配置されている。コンタクトプラグ42C1,42C2,42D1,42D2,42E1,42E2は、4個のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4を互いに並列接続する。
【0147】
最も下段のTMR素子MTJ1の下部電極41A1は、コンタクトプラグ42A,42B及び中間層43を経由して、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのドレインに接続される。最も上段のTMR素子MTJ4の上部電極41B4は、コンタクトプラグ42Fを経由して、Y方向に延びる読み出しビット線BLjに接続される。
【0148】
書き込みワード線WWL3nは、TMR素子MTJ1の直下に配置され、書き込みワード線WWL3n+1は、TMR素子MTJ2とTMR素子MTJ3との間に配置され、書き込みワード線WWL3n+2は、TMR素子MTJ4の直上に配置される。書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2は、X方向に延びている。
【0149】
書き込みビット線BLj0は、TMR素子MTJ1とTMR素子MTJ2との間に配置され、書き込みビット線BLj1は、TMR素子MTJ3とTMR素子MTJ4との間に配置される。書き込みビット線BLj0,BLj1は、Y方向に延びている。
【0150】
このようなデバイス構造によれば、1つの読み出し選択スイッチRSWに対して、複数(本例では、4個)のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4を設けている。また、これらのTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、読み出し選択スイッチRSW上に積み重ねられ、互いに並列に接続される。
【0151】
また、この場合、読み出しビット線BLjは、例えば、最上層に1本のみ設ければよい。また、書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2及び書き込みビット線BLj0,BLj1の少なくとも1本については、2つのTMR素子で共有させることが可能である。
【0152】
従って、このようなデバイス構造によれば、TMR素子を半導体基板上に高密度に配置することができるようになるため、メモリ容量の増大に貢献できる。また、TMR素子のアレイ内に配置される配線(書き込みワード線、書き込みビット線、読み出しビット線など)の数を減らすことができるため、TMR素子の直下の絶縁膜の平坦化を実現でき、TMR素子の特性を向上できる。
【0153】
▲3▼ 変形例
構造例2の変形例について説明する。
【0154】
図11は、構造例2の第1変形例を示している。
同図は、図9に対応している。本例のデバイス構造が図9のデバイス構造と異なる点は、TMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4が積み重ねられる位置にある。
【0155】
即ち、図9のデバイス構造では、TMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのゲート電極、即ち、読み出しワード線RWLnの直上に積み重ねられた。
【0156】
この場合、下部電極41A1,41A3及び上部電極41B2,41B4は、TMR素子から一方側に広がり、下部電極41A2,41A4及び上部電極41B1,41B3は、TMR素子から他方側に広がる。また、TMR素子の両側に、下部電極及び上部電極に対するコンタクト部が設けられる。
【0157】
これに対して、本例のデバイス構造では、TMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのソースに接続されるソース線SLの直上に積み重ねられる。
【0158】
この場合、下部電極41A1,41A2,41A3,41A4及び上部電極41B1,41B2,41B3,41B4は、共に、TMR素子から一方側に広がる。また、TMR素子の一方側のみに、下部電極及び上部電極に対するコンタクト部が設けられる。
【0159】
図12は、図11のデバイス構造において、TMR素子、下部電極及び上部電極の位置関係を平面図で表したものである。
本例では、下部電極41A1,41A3及び上部電極41B2,41B4の形状は、下部電極41A2,41A4及び上部電極41B1,41B3の形状とは異なっている。また、下部電極41A1,41A3及び上部電極41B2,41B4の一部、即ち、下部電極41A2,41A4及び上部電極41B1,41B3にオーバーラップする部分は、取り除かれている。
【0160】
図13及び図14は、構造例2の第2変形例を示している。
図13の回路図は、図8の回路図に対応し、また、図14のデバイス構造の断面図は、図9のデバイス構造の断面図に対応している。本例の構造が図8乃至図10の構造と異なる点は、読み出し選択スイッチを実現する素子にある。
【0161】
即ち、図8乃至図10の構造では、読み出し選択スイッチは、MOSトランジスタから構成されていた。これに対し、本例の構造では、読み出し選択スイッチは、ダイオードDIから構成される。これに伴い、読み出しワード線RWL0,・・・RWLnは、ダイオードDIのカソードに接続される。
【0162】
本例の構造を採用した場合、読み出し動作時には、選択されたロウの読み出しワード線RWLiを“L”、即ち、接地電位に設定する。この時、選択されたロウのブロックを構成する直列接続された複数のTMR素子に、読み出し電流を流すことができる。
【0163】
図15及び図16は、構造例2の第3変形例を示している。
図15の回路図は、図8の回路図に対応し、また、図16のデバイス構造の断面図は、図9のデバイス構造の断面図に対応している。本例の構造が図8乃至図10の構造と異なる点は、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタの種類にある。
【0164】
即ち、図8乃至図10の構造では、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタは、MOSトランジスタであった。これに対し、本例の構造では、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタは、バイポーラトランジスタとなっている。
【0165】
本例の構造の場合、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタの全てをバイポーラトランジスタにしてもよいし、その一部をバイポーラトランジスタにしてもよい。
【0166】
(3) 構造例3
構造例3は、複数段に積み重ねられた複数のTMR素子を直並列接続したセルアレイ構造に関する。
【0167】
▲1▼ 回路構造
まず、回路構造について説明する。
図17は、本発明の構造例3としての磁気ランダムアクセスメモリの主要部を示している。
【0168】
メモリセルアレイ11は、X方向、Y方向及びZ方向にアレイ状に配置される複数のTMR素子12を有する。Z方向とは、X方向及びY方向に直交する紙面に垂直な方向をいう。
【0169】
メモリセルアレイ11は、X方向に配置されるj+1個のTMR素子12と、Y方向に配置されるn+1個のTMR素子12と、Z方向に積み重ねられる4個のTMR素子12とからなるセルアレイ構造を有する。Z方向に積み重ねされるTMR素子12の数は、本例では、4個であるが、その数は、複数個であれば、いくつであっても構わない。
【0170】
Z方向に積み重ねられた4個のTMR素子12は、互いに直並列接続され、1つのブロックBKik(i=0,1,・・・j、k=0,1,・・・n)を構成している。ブロックBKik内の4個のTMR素子12は、実際には、紙面に垂直な方向(Z方向)に互いに重なり合っている。
【0171】
ここで、本例では、ブロックBKik内の4つのTMR素子12を第1乃至第4TMR素子とした場合、第1及び第2TMR素子が並列接続され、第3及び第4TMR素子が並列接続される。そして、並列接続された第1及び第2TMR素子と並列接続された第1及び第2TMR素子とは、互いに直列接続される。
【0172】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の一端は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWを経由して、接地点に接続される。
【0173】
本例では、X方向に配置されるj+1個のブロックBKikにより1つのロウが構成される。メモリセルアレイ11は、n+1個のロウを有する。また、Y方向に配置されるn+1個のブロックBKikにより1つのカラムが構成される。メモリセルアレイ11は、j+1個のカラムを有する。
【0174】
ブロックBKikを構成する4つのTMR素子12の近傍には、X方向に延び、Z方向に積み重ねられる複数本(本例では、3本)の書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2が配置される。但し、nは、ロウの番号であり、n=0,1,2,・・・である。
【0175】
X方向に延びる書き込みワード線に関しては、例えば、図221に示すように、1ロウ内の1つの段に1本の書き込みワード線を配置することができる。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数は、4本(WWL4n,WWL4n+1,WWL4n+2,WWL4n+3)、即ち、TMR素子12を積み重ねる段数と同じとなる。
【0176】
また、Y方向に延びる書き込みビット線に関しても、例えば、図221に示すように、1カラム内の1つの段に1本の書き込みビット線を配置することができる。この場合、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の数は、4本(BLj0,BLj1,BLj2,BLj3)、即ち、TMR素子12を積み重ねる段数と同じとなる。
【0177】
しかし、本例では、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の少なくとも1本を2つのTMR素子(上段のTMR素子と下段のTMR素子)で共有するようにしている。具体的には、本例では、書き込みワード線WWL3n+1が二段目のTMR素子と三段目のTMR素子に共有される。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数が減少し、TMR素子12の直下の絶縁膜の平坦化や製造コストの低下を実現できる。
【0178】
ブロック構造から考えると、例えば、図222に示すように、一段目と二段目のTMR素子で1本の書き込みワード線を共有し、三段目と四段目のTMR素子で1本の書き込みワード線を共有することもできる。この場合、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数は、2本(WWL2n,WWL2n+1)にすることができる。
【0179】
それにもかかわらず、本例で、X方向に延びる1ロウ内の書き込みワード線の数を3本としたのは、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の位置を考慮したためである。
【0180】
即ち、本例では、一段目のTMR素子12と二段目のTMR素12の間にY方向に延びる1本の書き込みビット線BLj0が配置され、三段目のTMR素子12と四段目のTMR素子12の間にY方向に延びる1本の書き込みビット線BLj1が配置される。
【0181】
その結果、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線に関しては、一段目と二段目のTMR素子で1本の書き込みビット線が共有され、三段目と四段目のTMR素子で1本の書き込みビット線が共有される。この場合、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の数は、2本となる。
【0182】
なお、図17では、TMR素子12を立体的に描けないという理由から、2本の書き込みビット線Bj0,BLj1は、ブロックBjn内の4つのTMR素子12に交差するように描かれているが、実際は、上述のように、一段目のTMR素子と二段目のTMR素の間に1本の書き込みビット線BLj0が配置され、三段目のTMR素子と四段目のTMR素子の間に1本の書き込みワード線BLj1が配置される。
【0183】
ブロック内のTMR素子及びその近傍における具体的構造については、後述するデバイス構造の説明で明らかにする。
【0184】
X方向に延びる書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2の一端は、書き込みワード線ドライバ23A−nに接続され、その他端は、書き込みワード線シンカー24−nに接続される。
【0185】
読み出し選択スイッチRSWのゲートは、読み出しワード線RWLn(n=0,1,2,・・・)に接続される。1本の読み出しワード線RWLnは、1つのカラム内の1つのブロックBKjkに対応し、かつ、X方向に配置される複数のブロックBKjkに共通となっている。
【0186】
例えば、1つのカラムが4つのブロックから構成される場合、読み出しワード線RWLnの数は、4本となる。読み出しワード線RWLnは、X方向に延び、その一端は、読み出しワード線ドライバ23B−nに接続される。
【0187】
ロウデコーダ25−nは、書き込み動作時、ロウアドレス信号に基づいて、書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2のうちの1本を選択する。書き込みワード線ドライバ23A−nは、選択された書き込みワード線に書き込み電流を供給する。書き込み電流は、選択されたワード線を流れ、書き込みワード線シンカー24−nに吸収される。
【0188】
ロウデコーダ25−nは、読み出し動作時、例えば、上位ロウアドレス信号に基づいて、1ロウ内のブロックを選択する。読み出しワード線ドライバ23B−nは、選択されたブロックBKに接続される読み出しワード線RWLnに読み出しワード線電圧を供給する。選択されたブロックBKでは、読み出し選択スイッチRSWがオン状態となるため、読み出し電流は、選択されたブロックBK内の複数のTMR素子を経由して、接地点に向かって流れる。
【0189】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の他端は、読み出しビット線BLjに接続される。読み出しビット線BLjの一端は、カラム選択スイッチ(MOSトランジスタ)SWAを経由して、共通データ線28に接続される。共通データ線28は、読み出し回路(センスアンプを含む)29Bに接続される。
【0190】
書き込みビット線BLj0,BLj1の一端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック29Aに接続される。
【0191】
書き込みビット線BLj0,BLj1の他端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック31に接続される。
【0192】
カラム選択スイッチSWAのゲートには、カラム選択線信号CSLj(j=0,1,・・・)が入力される。カラムデコーダ32は、カラム選択線信号CSLjを出力する。
【0193】
本例の磁気ランダムアクセスメモリでは、1つのカラムは、複数のブロックから構成され、ブロック単位で読み出しを行う。また、1つのブロックは、複数段に積み重ねられ、互いに直並列接続される複数のTMR素子から構成される。
【0194】
このようなセルアレイ構造にすれば、TMR素子は、半導体基板上に三次元的に配置されると共に、複数のTMR素子に1つのMOSトランジスタ(読み出し選択スイッチ)を対応させればよいため、結果として、メモリ容量の増大に貢献することができる。
【0195】
▲2▼ デバイス構造
次に、デバイス構造について説明する。
図18は、本発明の構造例3としての磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のデバイス構造を示している。
【0196】
図18は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のY方向の断面を表している。図18に示される要素には、図17の回路の要素と対応がとれるように、図17と同じ符号が付してある。
【0197】
半導体基板41の表面領域には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが配置される。読み出し選択スイッチRSWのソースは、ソース線SLを経由して接地点に接続される。ソース線SLは、例えば、X方向に一直線に延びている。
【0198】
読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのゲートは、読み出しワード線RWLnとなっている。読み出しワード線RWLnは、X方向に延びている。読み出し選択スイッチRSW上には、4個のTMR素子(MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子)MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4が積み重ねられている。
【0199】
TMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4の各々は、下部電極41A1,41A2,41A3,41A4と上部電極41B1,41B2,41B3,41B4の間に配置されている。コンタクトプラグ42C1,42C2,42D1,42E1,42E2は、4個のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4を互いに直並列接続する。
【0200】
最も下段のTMR素子MTJ1の下部電極41A1は、コンタクトプラグ42A,42B及び中間層43を経由して、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのドレインに接続される。最も上段のTMR素子MTJ4の上部電極41B4は、コンタクトプラグ42Fを経由して、Y方向に延びる読み出しビット線BLjに接続される。
【0201】
書き込みワード線WWL3nは、TMR素子MTJ1の直下に配置され、書き込みワード線WWL3n+1は、TMR素子MTJ2とTMR素子MTJ3との間に配置され、書き込みワード線WWL3n+2は、TMR素子MTJ4の直上に配置される。書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2は、X方向に延びている。
【0202】
書き込みビット線BLj0は、TMR素子MTJ1とTMR素子MTJ2との間に配置され、書き込みビット線BLj1は、TMR素子MTJ3とTMR素子MTJ4との間に配置される。書き込みビット線BLj0,BLj1は、Y方向に延びている。
【0203】
このようなデバイス構造によれば、1つの読み出し選択スイッチRSWに対して、複数(本例では、4個)のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4を設けている。また、これらのTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、読み出し選択スイッチRSW上に積み重ねられ、互いに直並列に接続される。
【0204】
また、この場合、読み出しビット線BLjは、例えば、最上層に1本のみ設ければよい。また、書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2及び書き込みビット線BLj0,BLj1の少なくとも1本については、2つのTMR素子で共有させることが可能である。
【0205】
従って、このようなデバイス構造によれば、TMR素子を半導体基板上に高密度に配置することができるようになるため、メモリ容量の増大に貢献できる。また、TMR素子のアレイ内に配置される配線(書き込みワード線、書き込みビット線、読み出しビット線など)の数を減らすことができるため、TMR素子の直下の絶縁膜の平坦化を実現でき、TMR素子の特性を向上できる。
【0206】
▲3▼ 変形例
構造例3の変形例について説明する。
【0207】
図19及び図20は、構造例3の第1変形例を示している。
図19の回路図は、図17の回路図に対応し、また、図20のデバイス構造の断面図は、図18のデバイス構造の断面図に対応している。本例の構造が図17及び図18の構造と異なる点は、読み出し選択スイッチを実現する素子にある。
【0208】
即ち、図17及び図18の構造では、読み出し選択スイッチは、MOSトランジスタから構成されていた。これに対し、本例の構造では、読み出し選択スイッチは、ダイオードDIから構成される。これに伴い、読み出しワード線RWL0,・・・RWLnは、ダイオードDIのカソードに接続される。
【0209】
本例の構造を採用した場合、読み出し動作時には、選択されたロウの読み出しワード線RWLiを“L”、即ち、接地電位に設定する。この時、選択されたロウのブロックを構成する直列接続された複数のTMR素子に、読み出し電流を流すことができる。
【0210】
図21及び図22は、構造例3の第2変形例を示している。
図21の回路図は、図17の回路図に対応し、また、図22のデバイス構造の断面図は、図18のデバイス構造の断面図に対応している。本例の構造が図17及び図18の構造と異なる点は、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタの種類にある。
【0211】
即ち、図17及び図18の構造では、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタは、MOSトランジスタであった。これに対し、本例の構造では、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタは、バイポーラトランジスタとなっている。
【0212】
本例の構造の場合、メモリセルアレイ11及びその周辺回路を構成するトランジスタの全てをバイポーラトランジスタにしてもよいし、その一部をバイポーラトランジスタにしてもよい。
【0213】
(4) 構造例4
構造例4は、構造例1〜3の改良例である。構造例4は、構造例1〜3と組み合せて用いることができる。
【0214】
構造例4は、メモリセルアレイのY方向に延びる1ロウ内の書き込み線を、折り返し構造(蛇行構造)又は並列接続構造にすることにより、1ロウ内の書き込み線の数を実質的に1本とした点に特徴を有する。
【0215】
このような構造によれば、1ロウ内の書き込み線に接続される書き込みドライバ/シンカーの数を減らすことができるため、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0216】
▲1▼ 回路構造
まず、回路構造について説明する。
図23乃至図25は、本発明の構造例4としての磁気ランダムアクセスメモリの主要部を示している。
図23は、構造例4を図1の構造例1に適用した例であり、図24は、構造例4を図8の構造例2に適用した例であり、図25は、構造例4を図17の構造例3に適用した例である。
【0217】
メモリセルアレイ11は、X方向、Y方向及びZ方向にアレイ状に配置される複数のTMR素子12を有する。Z方向とは、X方向及びY方向に直交する紙面に垂直な方向をいう。
【0218】
メモリセルアレイ11は、X方向に配置されるj+1個のTMR素子12と、Y方向に配置されるn+1個のTMR素子12と、Z方向に積み重ねられる4個のTMR素子12とからなるセルアレイ構造を有する。Z方向に積み重ねされるTMR素子12の数は、本例では、4個であるが、その数は、複数個であれば、いくつであっても構わない。
【0219】
Z方向に積み重ねられた4個のTMR素子12は、互いに直列(図23)、並列(図24)又は直並列(図25)に接続され、1つのブロックBKik(i=0,1,・・・j、k=0,1,・・・n)を構成している。ブロックBKik内の4個のTMR素子12は、実際には、紙面に垂直な方向(Z方向)に互いに重なり合っている。
【0220】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の一端は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWを経由して、接地点に接続される。
【0221】
本例では、X方向に配置されるj+1個のブロックBKikにより1つのロウが構成される。メモリセルアレイ11は、n+1個のロウを有する。また、Y方向に配置されるn+1個のブロックBKikにより1つのカラムが構成される。メモリセルアレイ11は、j+1個のカラムを有する。
【0222】
ブロックBKikを構成する4つのTMR素子12の近傍には、X方向に延び、Z方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線が配置される。また、これら複数の書き込みワード線は、メモリセルアレイ11の端部で、互いに直列接続され、1つの書き込みワード線WWLnを構成している。全体的には、書き込みワード線WWLnは、メモリセルアレイ11の内部を縫うように、曲がりくねって配置される。
【0223】
このような書き込みワード線の構造を、折り返し構造(又は蛇行構造)と呼ぶことにする。
【0224】
折り返し構造(又は蛇行構造)によれば、1ロウ内には、実質的に、1本の書き込みワード線WWLnのみが配置されるため、1ロウ内の書き込みワード線WWLnに接続される書き込みドライバ/シンカー23A−n,24−nを構成する素子数を減らすことができる。従って、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0225】
ブロック構造から考えると、図223乃至図225に示すように、一段目と二段目のTMR素子の間、及び、三段目と四段目のTMR素子の間に、それぞれ、書き込みワード線WWLnを配置すれば、書き込みワード線WWLnの長さを短くすることができる。
【0226】
しかし、本例では、折り返し構造を有する書き込みワード線WWLnは、最下段のTMR素子の直下、二段目のTMR素子と三段目のTMR素子の間、及び、最上段のTMR素子の直上に、それぞれ配置される。
【0227】
このような構造としたのは、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の位置を考慮したためである。
【0228】
即ち、一段目のTMR素子12と二段目のTMR素12の間にY方向に延びる1本の書き込みビット線BLj0が配置され、三段目のTMR素子12と四段目のTMR素子12の間にY方向に延びる1本の書き込みビット線BLj1が配置される。
【0229】
その結果、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線に関しては、一段目と二段目のTMR素子で1本の書き込みビット線が共有され、三段目と四段目のTMR素子で1本の書き込みビット線が共有される。この場合、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の数は、2本となる。
【0230】
なお、図23乃至図25では、TMR素子12を立体的に描けないという理由から、2本の書き込みビット線Bj0,BLj1は、ブロックBjn内の4つのTMR素子12に平行又は交差するように描かれているが、実際は、上述のように、一段目のTMR素子と二段目のTMR素の間に1本の書き込みビット線BLj0が配置され、三段目のTMR素子と四段目のTMR素子の間に1本の書き込みワード線BLj1が配置される。
【0231】
X方向に延びる書き込みワード線WWLnの一端は、書き込みワード線ドライバ23A−nに接続され、その他端は、書き込みワード線シンカー24−nに接続される。
【0232】
読み出し選択スイッチRSWのゲートは、読み出しワード線RWLn(n=0,1,2,・・・)に接続される。1本の読み出しワード線RWLnは、1つのカラム内の1つのブロックBKjkに対応し、かつ、X方向に配置される複数のブロックBKjkに共通となっている。
【0233】
例えば、1つのカラムが4つのブロックから構成される場合、読み出しワード線RWLnの数は、4本となる。読み出しワード線RWLnは、X方向に延び、その一端は、読み出しワード線ドライバ23B−nに接続される。
【0234】
ロウデコーダ25−nは、書き込み動作時、ロウアドレス信号に基づいて、書き込みワード線WWL0,・・・WWLnのうちの1本を選択する。書き込みワード線ドライバ23A−nは、選択された書き込みワード線に書き込み電流を供給する。書き込み電流は、選択されたワード線を流れ、書き込みワード線シンカー24−nに吸収される。
【0235】
ロウデコーダ25−nは、読み出し動作時、例えば、上位ロウアドレス信号に基づいて、1ロウ内のブロックを選択する。読み出しワード線ドライバ23B−nは、選択されたブロックBKに接続される読み出しワード線RWLnに読み出しワード線電圧を供給する。選択されたブロックBKでは、読み出し選択スイッチRSWがオン状態となるため、読み出し電流は、選択されたブロックBK内の複数のTMR素子を経由して、接地点に向かって流れる。
【0236】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の他端は、読み出しビット線BLjに接続される。読み出しビット線BLjの一端は、カラム選択スイッチ(MOSトランジスタ)SWAを経由して、共通データ線28に接続される。共通データ線28は、読み出し回路(センスアンプを含む)29Bに接続される。
【0237】
書き込みビット線BLj0,BLj1の一端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック29Aに接続される。
【0238】
書き込みビット線BLj0,BLj1の他端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック31に接続される。
【0239】
カラム選択スイッチSWAのゲートには、カラム選択線信号CSLj(j=0,1,・・・)が入力される。カラムデコーダ32は、カラム選択線信号CSLjを出力する。
【0240】
本例の磁気ランダムアクセスメモリでは、1つのカラムは、複数のブロックから構成され、ブロック単位で読み出しを行う。また、1つのブロックは、複数段に積み重ねられ、互いに直列、並列、又は、直並列接続される複数のTMR素子から構成される。
【0241】
このようなセルアレイ構造にすれば、TMR素子12は、半導体基板上に三次元的に配置されると共に、複数のTMR素子12に1つのMOSトランジスタ(読み出し選択スイッチ)RSWを対応させればよいため、結果として、メモリ容量の増大に貢献することができる。
【0242】
また、本例の磁気ランダムアクセスメモリでは、書き込みワード線WWLnを、折り返し構造(又は蛇行構造)にしているため、1ロウ内には、実質的に、1本の書き込みワード線WWLnのみが配置される。
【0243】
従って、1ロウ内の書き込みワード線WWLnに接続される書き込みドライバ/シンカー23A−n,24−nを構成する素子数を減らすことができ、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0244】
▲2▼ デバイス構造
次に、デバイス構造について説明する。
図26は、本発明の構造例4としての磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のデバイス構造を示している。
【0245】
図26は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のY方向の断面を表している。図26に示される要素には、図23乃至図25の回路の要素と対応がとれるように、図図23乃至25と同じ符号が付してある。
【0246】
同図においては、構造例4の特徴を明確にするため、メモリセルアレイ11においては、書き込みワード線WWLn以外の部材を全て省略している。
【0247】
メモリセルアレイ11上には、書き込みワード線WWLnを構成する配線が3段に積み重ねられている。これら配線は、メモリセルアレイ11の端部で、コンタクトプラグにより互いに接続されている。結果として、書き込みワード線WWLnは、メモリセルアレイ11上において、折り返し構造(又は、蛇行構造)を有している。
【0248】
書き込みワード線WWLnの一端は、書き込みワード線ドライバ23A−nに接続され、その他端は、書き込みワード線シンカー24−nに接続される。
【0249】
本例では、書き込みワード線WWLnを構成する配線が3段(奇数段)に積み重ねられているため、書き込みワード線ドライバ23A−nの位置と書き込みワード線シンカー24−nの位置は、メモリセルアレイ11を挟んで、互いに対向した位置となる。
【0250】
仮に、書き込みワード線WWLnを構成する配線が4段(複数段)に積み重ねられているとすると、書き込みワード線ドライバ23A−nと書き込みワード線シンカー24−nは、メモリセルアレイ11に対して同じ方向に配置される。
【0251】
このようなデバイス構造によれば、書き込みワード線WWLnを、折り返し構造(又は蛇行構造)にしているため、1ロウ内には、実質的に、1本の書き込みワード線WWLnのみが配置される。
【0252】
従って、1ロウ内の書き込みワード線WWLnに接続される書き込みワード線ドライバ/シンカー23A−n,24−nを構成する素子数を減らすことができ、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0253】
▲3▼ 変形例
構造例4のデバイス構造の変形例について説明する。
【0254】
図27は、本発明の構造例4としての磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のデバイス構造を示している。
【0255】
図27は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のY方向の断面を表している。図27に示される要素には、図23乃至図25の回路の要素と対応がとれるように、図23乃至図25と同じ符号が付してある。
【0256】
同図においては、構造例4の特徴を明確にするため、メモリセルアレイ11においては、書き込みワード線WWLn以外の部材を全て省略している。
【0257】
メモリセルアレイ11上には、書き込みワード線WWLnを構成する配線が3段に積み重ねられている。これら配線は、メモリセルアレイ11の端部で、コンタクトプラグにより互いに接続されている。結果として、書き込みワード線WWLnは、メモリセルアレイ11上において、並列に接続された構造(並列接続構造)を有している。
【0258】
書き込みワード線WWLnの一端は、書き込みワード線ドライバ23A−nに接続され、その他端は、書き込みワード線シンカー24−nに接続される。
【0259】
本例では、書き込みワード線WWLnを構成する配線が3段に積み重ねられているが、複数段(2段以上)であれば、書き込みワード線WWLnを構成する配線を積み重ねる段数は、何段であっても、全く構わない。
【0260】
このようなデバイス構造によれば、書き込みワード線WWLnを、並列接続構造にしているため、1ロウ内には、実質的に、1本の書き込みワード線WWLnのみが配置される。
【0261】
従って、1ロウ内の書き込みワード線WWLnに接続される書き込みワード線ドライバ/シンカー23A−n,24−nを構成する素子数を減らすことができ、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0262】
(4) 構造例5
構造例5は、構造例1〜3の改良例である。構造例5は、構造例1〜3と組み合せて用いることができる。
【0263】
構造例5は、メモリセルアレイのX方向に延びる1カラム内の書き込み線を、折り返し構造(蛇行構造)又は並列接続構造にすることにより、1カラム内の書き込み線の数を実質的に1本とした点に特徴を有する。
【0264】
このような構造によれば、1カラム内の書き込み線に接続される書き込みドライバ/シンカーの数を減らすことができるため、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0265】
▲1▼ 回路構造
まず、回路構造について説明する。
図28乃至図30は、本発明の構造例5としての磁気ランダムアクセスメモリの主要部を示している。
図28は、構造例5を図1の構造例1に適用した例であり、図29は、構造例5を図8の構造例2に適用した例であり、図30は、構造例5を図17の構造例3に適用した例である。
【0266】
メモリセルアレイ11は、X方向、Y方向及びZ方向にアレイ状に配置される複数のTMR素子12を有する。Z方向とは、X方向及びY方向に直交する紙面に垂直な方向をいう。
【0267】
メモリセルアレイ11は、X方向に配置されるj+1個のTMR素子12と、Y方向に配置されるn+1個のTMR素子12と、Z方向に積み重ねられる4個のTMR素子12とからなるセルアレイ構造を有する。Z方向に積み重ねされるTMR素子12の数は、本例では、4個であるが、その数は、複数個であれば、いくつであっても構わない。
【0268】
Z方向に積み重ねられた4個のTMR素子12は、互いに直列(図28)、並列(図29)又は直並列(図30)に接続され、1つのブロックBKik(i=0,1,・・・j、k=0,1,・・・n)を構成している。ブロックBKik内の4個のTMR素子12は、実際には、紙面に垂直な方向(Z方向)に互いに重なり合っている。
【0269】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の一端は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWを経由して、接地点に接続される。
【0270】
本例では、X方向に配置されるj+1個のブロックBKikにより1つのロウが構成される。メモリセルアレイ11は、n+1個のロウを有する。また、Y方向に配置されるn+1個のブロックBKikにより1つのカラムが構成される。メモリセルアレイ11は、j+1個のカラムを有する。
【0271】
ブロックBKikを構成する4つのTMR素子12の近傍には、X方向に延び、Z方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2が配置される。
【0272】
書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2は、最下段のTMR素子の直下、二段目のTMR素子と三段目のTMR素子の間、及び、最上段のTMR素子の直上に、それぞれ配置される。
【0273】
ブロック構造から考えると、図226乃至図228に示すように、一段目と二段目のTMR素子の間、及び、三段目と四段目のTMR素子の間に、それぞれ、書き込みワード線を配置すれば、書き込みワード線の長さを短くすることができる。
【0274】
しかし、本例では、書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2は、最下段のTMR素子の直下、二段目のTMR素子と三段目のTMR素子の間、及び、最上段のTMR素子の直上に、それぞれ配置される。
【0275】
このような構造としたのは、Y方向に延びる1カラム内の書き込みビット線の位置を考慮したためである。
【0276】
即ち、一段目のTMR素子12と二段目のTMR素12の間にY方向に延びる書き込みビット線が配置され、三段目のTMR素子12と四段目のTMR素子12の間にY方向に延びる書き込みビット線が配置される。
【0277】
また、これら複数の書き込みビット線は、メモリセルアレイ11の端部で、互いに直列接続され、1つの書き込みビット線BLj1を構成している。全体的には、書き込みビット線BLj1は、メモリセルアレイ11の内部を縫うように、曲がりくねって配置される。
【0278】
このような書き込みビット線の構造を、折り返し構造(又は蛇行構造)と呼ぶことにする。
【0279】
折り返し構造(又は蛇行構造)によれば、1カラム内には、実質的に、1本の書き込みビット線BLj1のみが配置されるため、1カラム内の書き込みビット線BLj1に接続される書き込みドライバ/シンカー31を構成する素子数を減らすことができる。従って、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0280】
なお、図28乃至図30では、TMR素子12を立体的に描けないという理由から、折り返し構造の書き込みビット線Bj1は、ブロックBjn内の4つのTMR素子12に平行又は交差するように描かれているが、実際は、上述のように、一段目のTMR素子と二段目のTMR素の間、及び、三段目のTMR素子と四段目のTMR素子の間に、書き込みビット線BLj1が配置される。
【0281】
X方向に延びる書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2の一端は、書き込みワード線ドライバ23A−nに接続され、その他端は、書き込みワード線シンカー24−nに接続される。
【0282】
読み出し選択スイッチRSWのゲートは、読み出しワード線RWLn(n=0,1,2,・・・)に接続される。1本の読み出しワード線RWLnは、1つのカラム内の1つのブロックBKjkに対応し、かつ、X方向に配置される複数のブロックBKjkに共通となっている。
【0283】
例えば、1つのカラムが4つのブロックから構成される場合、読み出しワード線RWLnの数は、4本となる。読み出しワード線RWLnは、X方向に延び、その一端は、読み出しワード線ドライバ23B−nに接続される。
【0284】
ロウデコーダ25−nは、書き込み動作時、ロウアドレス信号に基づいて、書き込みワード線WWL3n,WWL3n+1,WWL3n+2のうちの1本を選択する。書き込みワード線ドライバ23A−nは、選択された書き込みワード線に書き込み電流を供給する。書き込み電流は、選択されたワード線を流れ、書き込みワード線シンカー24−nに吸収される。
【0285】
ロウデコーダ25−nは、読み出し動作時、例えば、上位ロウアドレス信号に基づいて、1ロウ内のブロックを選択する。読み出しワード線ドライバ23B−nは、選択されたブロックBKに接続される読み出しワード線RWLnに読み出しワード線電圧を供給する。選択されたブロックBKでは、読み出し選択スイッチRSWがオン状態となるため、読み出し電流は、選択されたブロックBK内の複数のTMR素子を経由して、接地点に向かって流れる。
【0286】
ブロックBKik内の4個のTMR素子12の他端は、読み出しビット線BLjに接続される。読み出しビット線BLjの一端は、カラム選択スイッチ(MOSトランジスタ)SWAを経由して、共通データ線28に接続される。共通データ線28は、読み出し回路(センスアンプを含む)29Bに接続される。
【0287】
書き込みビット線BLj1の一端及び他端は、書き込みビット線ドライバ及び書き込みビット線シンカーを含む回路ブロック31に接続される。
【0288】
カラム選択スイッチSWAのゲートには、カラム選択線信号CSLj(j=0,1,・・・)が入力される。カラムデコーダ32は、カラム選択線信号CSLjを出力する。
【0289】
本例の磁気ランダムアクセスメモリでは、1つのカラムは、複数のブロックから構成され、ブロック単位で読み出しを行う。また、1つのブロックは、複数段に積み重ねられ、互いに直列、並列、又は、直並列接続される複数のTMR素子から構成される。
【0290】
このようなセルアレイ構造にすれば、TMR素子12は、半導体基板上に三次元的に配置されると共に、複数のTMR素子12に1つのMOSトランジスタ(読み出し選択スイッチ)RSWを対応させればよいため、結果として、メモリ容量の増大に貢献することができる。
【0291】
また、本例の磁気ランダムアクセスメモリでは、書き込みビット線BLj1を、折り返し構造(又は蛇行構造)にしているため、1カラム内には、実質的に、1本の書き込みビット線BLj1のみが配置される。
【0292】
従って、1カラム内の書き込みビットBLj1に接続される書き込みドライバ/シンカー31を構成する素子数を減らすことができ、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0293】
▲2▼ デバイス構造
次に、デバイス構造について説明する。
図31は、本発明の構造例5としての磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のデバイス構造を示している。
【0294】
図31は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のY方向の断面を表している。図31に示される要素には、図28乃至図30の回路の要素と対応がとれるように、図28乃至図30と同じ符号が付してある。
【0295】
同図においては、構造例5の特徴を明確にするため、メモリセルアレイ11においては、書き込みビット線BLj1及び読み出しビット線BLj以外の部材を全て省略している。
【0296】
メモリセルアレイ11上には、書き込みビット線BLj1を構成する配線が2段に積み重ねられている。これら配線は、メモリセルアレイ11の端部で、コンタクトプラグにより互いに接続されている。結果として、書き込みビット線BLj1は、メモリセルアレイ11上において、折り返し構造(又は、蛇行構造)を有している。
【0297】
書き込みビット線BLj1の一端及び他端は、それぞれ、書き込みビット線ドライバ/シンカー31に接続される。
【0298】
本例では、書き込みビット線BLj1を構成する配線が2段(偶数段)に積み重ねられているため、書き込みビット線ドライバ/シンカーは、メモリセルアレイ11の一端側のみに配置される。
【0299】
仮に、書き込みビット線BLj1を構成する配線が3段(奇数段)に積み重ねられているとすると、書き込みビット線ドライバ/シンカーは、メモリセルアレイ11の両端側にそれぞれ配置される。
【0300】
このようなデバイス構造によれば、書き込みビット線BLj1を、折り返し構造(又は蛇行構造)にしているため、1カラム内には、実質的に、1本の書き込みビット線BLj1のみが配置される。
【0301】
従って、1カラム内の書き込みビット線BLj1に接続される書き込みビット線ドライバ/シンカー31を構成する素子数を減らすことができ、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0302】
▲3▼ 変形例
構造例5のデバイス構造の変形例について説明する。
【0303】
図32は、本発明の構造例5としての磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のデバイス構造を示している。
【0304】
図32は、磁気ランダムアクセスメモリの1ブロック分のY方向の断面を表している。図32に示される要素には、図28乃至図30の回路の要素と対応がとれるように、図28乃至図30と同じ符号が付してある。
【0305】
同図においては、構造例5の特徴を明確にするため、メモリセルアレイ11においては、書き込みビット線BLj1以外の部材を全て省略している。
【0306】
メモリセルアレイ11上には、書き込みビット線BLj1を構成する配線が2段に積み重ねられている。これら配線は、メモリセルアレイ11の端部で、コンタクトプラグにより互いに接続されている。結果として、書き込みビット線BLj1は、メモリセルアレイ11上において、並列に接続された構造(並列接続構造)を有している。
【0307】
書き込みビット線BLj1の一端及び他端は、共に、書き込みビット線ドライバ/シンカー31に接続される。
【0308】
本例では、書き込みビット線BLj1を構成する配線が2段に積み重ねられているが、複数段(2段以上)であれば、書き込みビット線BLj1を構成する配線を積み重ねる段数は、何段であっても、全く構わない。
【0309】
このようなデバイス構造によれば、書き込みビット線BLj1を、並列接続構造にしているため、1カラム内には、実質的に、1本の書き込みビット線BLj1のみが配置される。
【0310】
従って、1カラム内の書き込みビット線BLj1に接続される書き込みビット線ドライバ/シンカー31を構成する素子数を減らすことができ、チップ面積の縮小による製造コストの低下を図ることができる。
【0311】
3. TMR素子の構造
上述したセルアレイ構造では、1ブロック内の複数のTMR素子は、直列、並列又は直並列に接続される。
【0312】
このようなセルアレイ構造を前提とする場合、1ブロック内の複数のTMR素子の構造が同じであるときには、破壊読み出し動作原理などの読み出し動作原理を採用する必要がある(例えば、特願2001−350013号)。また、1ブロック内の複数のTMR素子の構造を異なるものとし、破壊読み出し動作原理によらない一括読み出し動作原理を採用することもできる(例えば、特願2001−365236号)。
【0313】
これら読み出し動作原理については、後に詳述することにして、ここでは、これらの読み出し動作原理を実現するためのTMR素子の構造例を説明する。
【0314】
(1) 読み出し動作時の等価回路
まず、読み出し動作時における1ブロック内のTMR素子(メモリセル)の等価回路について説明する。
【0315】
図33乃至図35は、セルアレイ構造の構造例1における読み出し動作時の等価回路を示している。
【0316】
4個のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、互いに直列接続され、その一端は、読み出しビット線BLjに接続される。読み出しビット線BLjの電位は、例えば、電源電位VDDに設定される。直列接続されたTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4の他端とソース線SLとの間には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが接続される。
【0317】
読み出し選択スイッチRSWがMOSトランジスタの場合(図33)、そのゲート、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“H”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。ソース線SLは、例えば、接地電位VSSに設定される。
【0318】
読み出し選択スイッチRSWがダイオードの場合(図34)、そのカソード、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“L(=VSS)”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。
【0319】
読み出し選択スイッチRSWがバイポーラトランジスタの場合(図35)、そのベース、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“H”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。ソース線SLは、例えば、接地電位VSSに設定される。
【0320】
図36乃至図38は、セルアレイ構造の構造例2における読み出し動作時の等価回路を示している。
【0321】
4個のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、互いに並列接続され、その一端は、読み出しビット線BLjに接続される。読み出しビット線BLjの電位は、例えば、電源電位VDDに設定される。並列接続されたTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4の他端とソース線SLとの間には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが接続される。
【0322】
読み出し選択スイッチRSWがMOSトランジスタの場合(図36)、そのゲート、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“H”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。ソース線SLは、例えば、接地電位VSSに設定される。
【0323】
読み出し選択スイッチRSWがダイオードの場合(図37)、そのカソード、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“L(=VSS)”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。
【0324】
読み出し選択スイッチRSWがバイポーラトランジスタの場合(図38)、そのベース、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“H”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。ソース線SLは、例えば、接地電位VSSに設定される。
【0325】
図39乃至図41は、セルアレイ構造の構造例3における読み出し動作時の等価回路を示している。
【0326】
4個のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、互いに直並列接続され、その一端は、読み出しビット線BLjに接続される。読み出しビット線BLjの電位は、例えば、電源電位VDDに設定される。直並列接続されたTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4の他端とソース線SLとの間には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが接続される。
【0327】
読み出し選択スイッチRSWがMOSトランジスタの場合(図39)、そのゲート、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“H”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。ソース線SLは、例えば、接地電位VSSに設定される。
【0328】
読み出し選択スイッチRSWがダイオードの場合(図40)、そのカソード、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“L(=VSS)”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。
【0329】
読み出し選択スイッチRSWがバイポーラトランジスタの場合(図41)、そのベース、即ち、読み出しワード線RWLnの電位は、“H”に設定される。このため、読み出し選択スイッチRSWは、オン状態となる。ソース線SLは、例えば、接地電位VSSに設定される。
【0330】
(2) TMR素子の構造
▲1▼ 破壊読み出し動作原理を適用する場合
この場合、ブロックBKjn内の複数のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4の構造は、全て同じでよい。
【0331】
図42乃至図44は、TMR素子の構造例を示している。
図42の例に示すTMR素子は、最も基本的な構造であり、2つの強磁性層とこれらに挟まれるトンネルバリア層を有する。
【0332】
2つの強磁性層のうち、磁化の向きが固定される固定層(ピン層)には、磁化の向きを固定するための反強磁性層が付加される。2つの強磁性層のうち、磁化の向きを自由に変えることができる自由層(記憶層)は、書き込みワード線と書き込みビット線によって作られる合成磁界により、磁化の向きが決定される。
【0333】
図43の例に示すTMR素子は、図42の例のTMR素子に比べて、バイアス電圧を増大させることを目的に、TMR素子内に2つのトンネルバリア層を設けたものである。
【0334】
図43のTMR素子は、図42のTMR素子を2個直列接続した構造(ダブルジャンクション構造)を有する、と言うこともできる。
【0335】
本例では、TMR素子は、3つの強磁性層を有し、それらの間には、トンネルバリア層が配置される。両端の2つの強磁性層(ピン層)には、それぞれ反強磁性層が付加されている。3つの強磁性層のうち、磁化の向きを自由に変えることができる自由層(記憶層)は、真ん中の強磁性層となっている。
【0336】
図44の例に示すTMR素子は、図42の例のTMR素子に比べて、書き込み反転磁場を削減しつつ、記憶保持特性を落とさないようにしたものである。
【0337】
本例のTMR素子は、図42のTMR素子の記憶層を、2つの強磁性層とそれらの間に挟まれる非磁性金属層(例えば、アルミニウム)とから構成される記憶層に代えたものと言うことができる。
【0338】
TMR素子の記憶層が、2つの強磁性層と、それらの間に挟まれる非磁性金属層とからなる3層構造を有することにより、書き込み反転磁場を削減しつつ、記憶保持特性を落とさないようにすることが可能になる。即ち、記憶層を構成する2つの強磁性層の厚さを薄くすることにより、書き込み反転磁場を下げることが可能になる。
【0339】
単層構造の場合には、熱揺らぎに弱くなり、誤書き込みを起こし易くなるが、3層構造の場合には、非磁性金属を挟む2つの強磁性層の磁気的な結合により、熱揺らぎに強くなるため、誤書き込みを起こし難い優れた記憶保持特性のTMR構造を実現できる。
【0340】
▲2▼ 一括読み出し動作原理を適用する場合
この場合、ブロック内の直列、並列又は直並列に接続された複数のTMR素子の構造は、互いに異なるものとなる。
【0341】
具体的には、ブロック内の複数のTMR素子の磁化状態が全て平行(平行及び反平行の定義は、従来技術の欄を参照)である場合の各TMR素子の抵抗値がそれぞれ異なる値となるように、複数のTMR素子の構造を決定する。
【0342】
・ 構造例1
図45は、TMR素子MTJ1の例を示している。
TMR素子MTJ1は、基本ユニットから構成される。基本ユニットとは、トンネルバリアと、トンネルバリアの一方側に配置される強磁性層(記憶層)と、トンネルバリアの他方側に配置される強磁性層及び反強磁性層とからなるユニットのことである。
【0343】
トンネルバリアの他方側に配置される強磁性層は、反強磁性層に接触しているため、その磁化の向きが固定されている。トンネルバリアの他方側に配置される強磁性層とそれに接触する反強磁性層は、ピン層を構成する。
【0344】
この構造により実現されるTMR素子MTJ1の抵抗値は、Rとする。
【0345】
図46は、TMR素子MTJ2の例を示している。
TMR素子MTJ2は、2つの基本ユニットから構成される。但し、2つの基本ユニット間で、1つの強磁性層(記憶層)が共有される。つまり、記憶層としての強磁性層の一方側には、トンネルバリアを経由して、強磁性層及び反強磁性層からなるピン層が配置され、記憶層としての強磁性層の他方側にも、トンネルバリアを経由して、強磁性層及び反強磁性層からなるピン層が配置される。
【0346】
TMR素子MTJ2は、記憶層としての強磁性層に対して、トンネルバリアとピン層(強磁性層及び反強磁性層)が対称的に配置された構造を有する。
【0347】
この構造により実現されるTMR素子MTJ2の抵抗値は、2×Rとなる。
【0348】
図47は、TMR素子MTJ3の例を示している。
TMR素子MTJ3は、4つの基本ユニットから構成される。また、TMR素子MTJ3は、2つのTMR素子MTJ2を直列に接続したということもできる。即ち、TMR素子MTJ3は、2つのTMR素子MTJ2を直列に接続すると共に、その接続部の反強磁性層を2つのTMR素子MTJ2で共有した構造を有する。
【0349】
TMR素子MTJ3では、2つの記憶層が存在するが、当然に、これらの2つの記憶層には、同一データが記憶される。即ち、TMR素子MTJ3には、2つの記憶層により、1ビットデータが記憶される。
【0350】
この構造により実現されるTMR素子MTJ3の抵抗値は、4×Rとなる。
【0351】
図48は、TMR素子MTJ4の例を示している。
TMR素子MTJ4は、8つの基本ユニットから構成される。また、TMR素子MTJ4は、2つのTMR素子MTJ3を直列に接続したということもできる。即ち、TMR素子MTJ4は、2つのTMR素子MTJ3を直列に接続すると共に、その接続部の反強磁性層を2つのTMR素子MTJ3で共有した構造を有する。
【0352】
TMR素子MTJ4では、4つの記憶層が存在するが、当然に、これらの4つの記憶層には、同一データが記憶される。即ち、TMR素子MTJ4には、4つの記憶層により、1ビットデータが記憶される。
【0353】
この構造により実現されるTMR素子MTJ4の抵抗値は、8×Rとなる。
【0354】
・ 構造例2
構造例1では、基本ユニット(MTJ素子)の数によりトンネルバリアの数を変え、TMR素子の抵抗値を変える技術を説明した。しかし、この場合、1ブロック内では、TMR素子ごとに、基本ユニットの数が異なるため、その厚さも、まちまちとなる。
【0355】
そこで、構造例2では、1ブロック内の各TMR素子の厚さが異なるという問題を解決するため、1ブロック内の全てのTMR素子を、同一数のユニットから構成し、それらの厚さを同じにする。
【0356】
例えば、1ブロックが4つのTMR素子から構成される場合には、各TMR素子は、8つのユニットにより構成する。
【0357】
また、TMR素子の抵抗値の調整については、そのTMR素子を構成する複数のユニットのうちのいくつかをダミーユニットにすることにより行う。ダミーユニットとは、基本ユニットのトンネルバリアを非磁性金属に変えたユニットをいうものとする。
【0358】
このようにすれば、例えば、1つの基本ユニットの抵抗値をRとした場合、8つの基本ユニットからなるTMR素子の抵抗値は、8×R(8つのトンネルバリア)となる。また、8つのユニットのうちの4つが基本ユニットで、他の4つがダミーユニットであるTMR素子の抵抗値は、4×R(4つのトンネルバリア)となる。
【0359】
さらに、8つのユニットのうちの2つが基本ユニットで、他の6つがダミーユニットであるTMR素子の抵抗値は、2×R(2つのトンネルバリア)となり、8つのユニットのうちの1つが基本ユニットで、他の7つがダミーユニットであるTMR素子の抵抗値は、R(1つのトンネルバリア)となる。
【0360】
非磁性金属を挟んだ2つの強磁性層間の抵抗値は、トンネルバリアを挟んだ2つの強磁性層間の抵抗値よりも十分に小さい。このため、TMR素子を構成するユニット(基本ユニット及びダミーユニットの合計)の数を同じにして、全てのTMR素子の厚さを同じにすると共に、1ブロック内のTMR素子の抵抗値の比を、例えば、1:2:4:8にすることができる。
【0361】
基本ユニットのトンネルバリアは、例えば、アルミナから構成される。アルミナは、アルミニウムを酸化することにより形成されるものである。
【0362】
よって、アルミニウムを形成した後、このアルミニウムを酸化することなく、ユニットを形成すれば、そのユニットは、ダミーユニットとなる。また、アルミニウムを形成した後、このアルミニウムを酸化してアルミナとすれば、最終的に完成するユニットは、抵抗値Rの基本ユニットとなる。
【0363】
図49は、TMR素子MTJ1の例を示している。
TMR素子MTJ1は、8つのユニットから構成される。8つのユニットのうちの1つは、トンネルバリアを有する基本ユニットであり、残りの7つは、トンネルバリアを有しない(非磁性金属を有する)ダミーユニットである。
【0364】
よって、この構造により実現されるTMR素子MTJ1の抵抗値は、ユニット(又はトンネルバリア)1つ分の抵抗値Rとなる。
【0365】
図50は、TMR素子MTJ2の例を示している。
TMR素子MTJ2は、8つのユニットから構成される。8つのユニットのうちの2つは、トンネルバリアを有する基本ユニットであり、残りの6つは、トンネルバリアを有しない(非磁性金属を有する)ダミーユニットである。
【0366】
よって、この構造により実現されるTMR素子MTJ2の抵抗値は、ユニット(又はトンネルバリア)2つ分の抵抗値2×Rとなる。
【0367】
図51は、TMR素子MTJ3の例を示している。
TMR素子MTJ3は、8つのユニットから構成される。8つのユニットのうちの4つは、トンネルバリアを有する基本ユニットであり、残りの4つは、トンネルバリアを有しない(非磁性金属を有する)ダミーユニットである。
【0368】
よって、この構造により実現されるTMR素子MTJ3の抵抗値は、ユニット(又はトンネルバリア)4つ分の抵抗値4×Rとなる。
【0369】
図52は、TMR素子MTJ4の例を示している。
TMR素子MTJ4は、8つのユニットから構成される。8つのユニットの全ては、トンネルバリアを有する基本ユニットである。
【0370】
よって、この構造により実現されるTMR素子MTJ4の抵抗値は、ユニット(又はトンネルバリア)8つ分の抵抗値8×Rとなる。
【0371】
・ その他
本例では、ブロック内の複数のTMR素子の磁化状態を全て同じとした場合に、そのブロック内の複数のTMR素子の抵抗値を、トンネルバリアの数を変えることにより、互いに異なるものとした。
【0372】
但し、この構造は、一例であり、種々の変更が可能である。例えば、図49乃至図52のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3に関しては、トンネルバリアの数が変わらなければ、トンネルバリアを有する基本ユニットの位置や非磁性金属を有するダミーユニットの位置は、任意に変えることができる。
【0373】
(3) まとめ
以上、TMR素子の構造例について説明したが、本発明(回路構造、デバイス構造、読み出し動作原理、読み出し回路及び製造方法)に関しては、TMR素子の構造は、特に、限定されるものではない。上述した構造例は、単に、TMR素子の構造の代表例として、示したに過ぎない。
【0374】
4. 読み出し動作原理
磁気ランダムアクセスメモリでは、選択されたTMR素子のデータのみを読み出せる場合には、▲1▼ 読み出しデータをセンスアンプにより検出する通常の読み出し動作原理が適用される。また、ブロック内の全てのTMR素子のデータが混在した形で読み出される場合(読み出しビット線を共有する場合)には、▲2▼ いわゆる破壊読み出し動作原理、又は、▲3▼ 一括読み出し動作原理が適用される。
【0375】
なお、破壊読み出し動作原理を適用できる磁気ランダムアクセスメモリについては、例えば、特願2001−350013号に詳細に記載されている。一括読み出し動作原理を適用できる磁気ランダムアクセスメモリについては、例えば、特願2001−365236号に詳細に記載されている。
【0376】
5. 読み出し回路
本発明の読み出し動作原理を実現するための読み出し回路の回路例について説明する。
【0377】
(1) 破壊読み出し動作原理を適用する場合
▲1▼ 回路例1
図53は、磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路の回路例1を示している。
複数のTMR素子は、互いに並列接続され、その一端は、接地点に接続され、その他端は、カラム選択スイッチとしてのNチャネルMOSトランジスタN7(SW)を経由して、ノードn1に接続される。図示するTMR素子のグループは、参考例、改良例1,2,5では、1カラム分に相当し、改良例3,4,6では、1カラム内の1ブロック分に相当する。
【0378】
ノードn1の電位は、クランプ回路によりクランプ電位Vclampに設定される。クランプ回路は、オペアンプOP1とNチャネルMOSトランジスタN8とから構成される。
【0379】
NチャネルMOSトランジスタN8は、ノードn1とカレントミラー回路M1との間に配置される。オペアンプOP1は、例えば、ノードn1の電位がクランプ電位Vclampに等しくなるように、NチャネルMOSトランジスタN8のゲート電位を制御する。
【0380】
クランプ回路の役割は、1カラム内又は1ブロック内のTMR素子の両端の間の電圧を調整することにある。
【0381】
即ち、例えば、TMR素子の一端に接地電位が与えられている場合に、TMR素子の他端の電位が大きくなり過ぎると、TMR素子のMR比が小さくなる。TMR素子のMR比が小さいということは、“1”状態のTMR素子の抵抗値と“0”状態のTMR素子の抵抗値との差が小さいことを意味する。つまり、読み出し時の“1”、“0”判定のためのマージンが小さくなる。
【0382】
これを防ぐため、本例では、クランプ回路を用いて、TMR素子の他端の電位、即ち、TMR素子の両端の間の電圧を調整し、TMR素子のMR比が小さくならないようにする。
【0383】
カレントミラー回路M1は、複数のTMR素子に流れる読み出し電流の合計値に等しい電流を、NチャネルMOSトランジスタN9に流す役割を果たす。この時のノードn2の電位(例えば、イニシャルデータ)は、トランスファゲート回路TG1により、記憶回路43に記憶される。
【0384】
トランスファゲート回路TG1のオン/オフは、制御信号READ1S,bREAD1Sにより制御される。制御信号READ1Sは、1回目の読み出し動作時(イニシャルデータの読み出し時)に“H”となる信号である。なお、制御信号bREAD1Sは、制御信号READ1Sの値と逆の値を有する反転信号である。
【0385】
制御信号READ1Sが“H”の時(1回目の読み出し動作時)、ノードn2の電位は、トランスファゲート回路TG1を経由して、インバータ回路I7に入力される。インバータ回路I7の出力信号は、オペアンプOP2のマイナス側入力端子に入力される。オペアンプOP2の出力信号は、インバータ回路I8に入力され、インバータ回路I8の出力信号は、オペアンプOP2のプラス側入力端子に入力される。
【0386】
オペアンプOP2は、そのマイナス側入力端子に入力される入力電位とそのプラス側入力端子に入力される入力電位とが互いに等しくなるように、例えば、インバータ回路I8内のNチャネルMOSトランジスタのゲート電位を制御する。従って、結果として、オペアンプOP2の出力信号を受けるインバータ回路I8に流れる電流が、イニシャルデータ(セルデータ)となる。
【0387】
トランスファゲート回路TG2は、オペアンプOP2の出力端子とインバータ回路I7の入力端子との間に接続される。1回目の読み出し動作が終わると、制御信号READ1Sは、“L”となり、制御信号bREAD1Sは、“H”となる。その結果、イニシャルデータは、記憶回路43内にラッチされる。
【0388】
センスアンプSAのプラス側入力端子は、ノードn2に接続され、そのマイナス側入力端子は、オペアンプOP2の出力端子n3に接続される。選択されたTMR素子のデータを判定するとき、センスアンプSAは、ノードn2の電位とオペアンプOP2の出力端子n3の電位とを比較する。
【0389】
即ち、ノードn1の電位は、2回目の読み出し結果(比較データ)を表し、オペアンプOP2の出力端子n3の電位は、1回目読み出し結果(イニシャルデータ)を表している。
【0390】
ところで、1カラム内又は1ブロック内の並列接続されるTMR素子の数が多くなると、読み出し電流の値に対する信号電流の値が非常に小さくなり、センスアンプによりこの微小な信号電流を検出することが困難となる。
【0391】
そこで、本例では、付加電流生成部42を設けている。
【0392】
付加電流生成部42は、電流源Isを有する。この電流源Isにより発生した定電流は、カレントミラー回路M2により、TMR素子に供給される。
【0393】
つまり、回路例6では、1カラム内又は1ブロック内の並列接続されるTMR素子に流れるセル電流をIcellとすると、カレントミラー回路M1に流れる電流、即ち、NチャネルMOSトランジスタN9に流れる電流Isenseは、Isense = Icell−Isとなる。
【0394】
これにより、読み出し電流の値に対する信号電流の値を大きくすることができるため、センスアンプによる信号電流の検出感度を向上できる。
【0395】
▲2▼ 回路例2
図54は、磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路の回路例2を示している。
この回路例2は、回路例1の変形例である。回路例2は、回路例1と比較すると、記憶回路43に特徴を有する。即ち、回路例1では、記憶回路43は、2つのインバータ回路I7,I8とオペアンプOP2を有していたが、回路例2では、記憶回路43は、オペアンプを有しておらず、4段のカレントミラー回路I9,I9’,I10,I11を有している。
【0396】
即ち、回路例2では、オペアンプを用いることなく、カレントミラー回路を用いて、記憶回路43にイニシャルデータをラッチしている。
【0397】
例えば、1回目の読み出し動作時(イニシャルデータの読み出し時)、制御信号READ1Sは、“H”となるため、ノードn1の電位(イニシャルデータ)は、4段のカレントミラー回路I9,I9’,I10,I11からなる記憶回路43に転送される。
【0398】
即ち、I9,I9’,I10,I11は、カレントミラー回路を構成しているため、各段において電源端子から接地端子へ流れる電流は、同じ値となる。従って、カレントミラー回路I9,I9’,I10,I11を構成するMOSトランジスタが飽和領域で動作するように設計すれば、カレントミラー回路I9内のNチャネルMOSトランジスタのゲート電位、即ち、ノードn1の電位は、ノードn3に転送される。
【0399】
1回目の読み出し動作が終わると、制御信号READ1Sは、“L”となり、制御信号bREAD1Sは、“H”となるため、ノードn3に転送されたイニシャルデータは、記憶回路43内にラッチされる。
【0400】
▲3▼ 回路例3
図55は、磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路の回路例3を示している。
この回路例3も、回路例1の変形例であり、回路例1と比較すると、記憶回路43に特徴を有する。即ち、回路例3では、記憶回路43は、キャパシタC1から構成される。
【0401】
本例では、例えば、ノードn2の電位(イニシャルデータ)をキャパシタC1にダイナミックに記憶する。このため、例えば、1回目の読み出しから2回目の読み出しまでの期間を、キャパシタC1がデータを保持し続ける期間よりも短くする必要がある。
【0402】
キャパシタC1がデータを保持し続ける期間は、DRAM(ダイナミックランダムアクセスメモリ)の分野で十分に研究されているように、例えば、数m秒である。従って、1回目の読み出しから2回目の読み出しまでの期間を数m秒よりも短くすれば、記憶回路43にキャパシタC1を使用することもできる。
【0403】
▲4▼ センスアンプの具体例
回路例1,2,3に使用されるセンスアンプSAの具体例について述べる。センスアンプSAの構成は、破壊読み出し動作時に、選択されたTMR素子に書き込む試行データの値によって決定される。
【0404】
・ 試行データが“1”の場合
図56は、試行データが“1”の場合のセンスアンプの一例を示している。 センスアンプSAは、例えば、3つの差動アンプDI1,DI2,DI3とNAND回路ND5とから構成される。
【0405】
初段の差動アンプDI1は、図53乃至図55のノードn2の電位(例えば、比較データ)とノードn3の電位(例えば、イニシャルデータ)とを比較する。差動アンプDI1は、2つの入力電位に基づいて、2つの出力電位を出力する。差動アンプDI1の2つの出力電位の差は、2つの入力電位の差に基づいて決定される。
【0406】
差動アンプDI2のプラス側入力端子には、ノードn2の電位に基づく電位が入力され、そのマイナス側入力端子には、基準電位VrefHが入力される。差動アンプDI2は、プラス側入力端子に入力される電位が基準電位VrefHよりも大きいときは、“H”を出力し、それよりも小さいときは、“L”を出力する。
【0407】
差動アンプDI3のマイナス側入力端子には、ノードn3の電位に基づく電位が入力され、そのプラス側入力端子には、基準電位VrefLが入力される。差動アンプDI3は、マイナス側入力端子に入力される電位が基準電位VrefLよりも小さいときは、“H”を出力し、それよりも大きいときは、“L”を出力する。
【0408】
例えば、選択されたTMR素子のデータが“0”、試行データが“1”のときには、2回目の読み出し動作で読み出された比較データ、即ち、ノードn2の電位は、1回目の読み出し動作で読み出されたイニシャルデータ、即ち、ノードn3の電位よりも高くなる。
【0409】
この時、差動アンプDI2のプラス側入力端子に入力される電位は、そのマイナス側入力端子に入力される基準電位VrefHよりも高くなるため、差動アンプDI2の出力信号は、“H”となる。また、差動アンプDI3のマイナス側入力端子に入力される電位は、そのプラス側入力端子に入力される基準電位VrefLよりも低くなるため、差動アンプDI3の出力信号も、“H”となる。
【0410】
従って、NAND回路ND5の出力信号は、“L”、即ち、センスアンプSAの出力信号は、“0”となる(“L”=“0”)。つまり、選択されたTMR素子のデータが“0”であると判断される。
【0411】
また、例えば、選択されたTMR素子のデータが“1”、試行データが“1”のときには、2回目の読み出し動作で読み出された比較データ、即ち、ノードn2の電位と、1回目の読み出し動作で読み出されたイニシャルデータ、即ち、ノードn3の電位とは、実質的に、同じとなる。
【0412】
この時、差動アンプDI1は、ノードn2,n3の微小な電位差に基づいて、2つの出力電位を出力する。
【0413】
しかし、差動アンプDI2のプラス側入力端子に入力される電位は、そのマイナス側入力端子に入力される基準電位VrefHよりも高くなることはないため、差動アンプDI2の出力信号は、“L”となる。また、差動アンプDI3のマイナス側入力端子に入力される電位は、そのプラス側入力端子に入力される基準電位VrefLよりも低くなることはないため、差動アンプDI3の出力信号も、“L”となる。
【0414】
従って、NAND回路ND5の出力信号は、“H”、即ち、センスアンプSAの出力信号は、“1”となる(“H”=“1”)。つまり、選択されたTMR素子のデータが“1”であると判断される。
【0415】
図57は、図56のセンスアンプの初段の差動アンプの一例を示している。
【0416】
この差動アンプDI1の特徴は、2つの出力端子の間に適当な抵抗値を有する抵抗Rrを接続した点にある。
【0417】
このように、差動アンプDI1の2つの出力端子の間に抵抗を接続することにより、選択されたTMR素子のデータと試行データとが同じである場合、即ち、2つの入力電位にほとんど差がないような場合には、差動アンプDI1は、その差を増幅して出力しない。差動アンプDI1は、2つの入力電位に明らかな差がある場合のみに、その差を増幅して出力する。
【0418】
図58は、図56のセンスアンプの初段の差動アンプの他の例を示している。
【0419】
この差動アンプDI1の特徴は、2つの出力端子の間にデプレッションタイプMOSトランジスタQDを接続した点にある。
【0420】
デプレッションタイプMOSトランジスタQDは、図46の抵抗Rrと同じ機能を有する。つまり、選択されたTMR素子のデータと試行データとが同じである場合、即ち、2つの入力電位にほとんど差がないような場合には、差動アンプDI1は、その差を増幅して出力しない。差動アンプDI1は、2つの入力電位に明らかな差がある場合のみに、その差を増幅して出力する。
【0421】
・ 試行データが“0”の場合
図59は、試行データが“0”の場合のセンスアンプの一例を示している。 センスアンプSAは、例えば、3つの差動アンプDI1,DI2,DI3とNOR回路NR3とから構成される。
【0422】
初段の差動アンプDI1は、図53乃至図55のノードn2の電位(例えば、比較データ)とノードn3の電位(例えば、イニシャルデータ)とを比較する。差動アンプDI1は、2つの入力電位に基づいて、2つの出力電位を出力する。差動アンプDI1の2つの出力電位の差は、2つの入力電位の差に基づいて決定される。
【0423】
差動アンプDI2のプラス側入力端子には、ノードn2の電位に基づく電位が入力され、そのマイナス側入力端子には、基準電位VrefLが入力される。差動アンプDI2は、プラス側入力端子に入力される電位が基準電位VrefLよりも小さいときは、“L”を出力し、それよりも大きいときは、“H”を出力する。
【0424】
差動アンプDI3のマイナス側入力端子には、ノードn3の電位に基づく電位が入力され、そのプラス側入力端子には、基準電位VrefHが入力される。差動アンプDI3は、マイナス側入力端子に入力される電位が基準電位VrefHよりも大きいときは、“L”を出力し、それよりも小さいときは、“H”を出力する。
【0425】
例えば、選択されたTMR素子のデータが“1”、試行データが“0”のときには、2回目の読み出し動作で読み出された比較データ、即ち、ノードn2の電位は、1回目の読み出し動作で読み出されたイニシャルデータ、即ち、ノードn3の電位よりも低くなる。
【0426】
この時、差動アンプDI2のプラス側入力端子に入力される電位は、そのマイナス側入力端子に入力される基準電位VrefLよりも低くなるため、差動アンプDI2の出力信号は、“L”となる。また、差動アンプDI3のマイナス側入力端子に入力される電位は、そのプラス側入力端子に入力される基準電位VrefHよりも高くなるため、差動アンプDI3の出力信号も、“L”となる。
【0427】
従って、NOR回路NR3の出力信号は、“H”、即ち、センスアンプSAの出力信号は、“1”となる(“H”=“1”)。つまり、選択されたTMR素子のデータが“1”であると判断される。
【0428】
また、例えば、選択されたTMR素子のデータが“0”、試行データが“0”のときには、2回目の読み出し動作で読み出された比較データ、即ち、ノードn2の電位と、1回目の読み出し動作で読み出されたイニシャルデータ、即ち、ノードn3の電位とは、実質的に、同じとなる。
【0429】
この時、差動アンプDI1は、ノードn2,n3の微小な電位差に基づいて、2つの出力電位を出力する。
【0430】
しかし、差動アンプDI2のプラス側入力端子に入力される電位は、そのマイナス側入力端子に入力される基準電位VrefLよりも低くなることはないため、差動アンプDI2の出力信号は、“H”となる。また、差動アンプDI3のマイナス側入力端子に入力される電位は、そのプラス側入力端子に入力される基準電位VrefHよりも高くなることはないため、差動アンプDI3の出力信号も、“H”となる。
【0431】
従って、NAND回路ND5の出力信号は、“L”、即ち、センスアンプSAの出力信号は、“0”となる(“L”=“0”)。つまり、選択されたTMR素子のデータが“0”であると判断される。
【0432】
なお、図59のセンスアンプの初段の差動アンプDI1に関しても、図57又は図58に示すような構成を有する差動アンプDI1を用いることができる。
【0433】
これにより、選択されたTMR素子のデータと試行データとが同じである場合、即ち、2つの入力電位にほとんど差がないような場合には、センスアンプは、その差を増幅して出力しない。センスアンプは、2つの入力電位に明らかな差がある場合のみに、その差を増幅して出力する。
【0434】
▲5▼ オペアンプの具体例
図60は、図53乃至図55のオペアンプOP1の具体例を示している。
【0435】
オペアンプOP1のプラス側入力端子には、クランプ電位Vclampが入力され、そのマイナス側入力端子には、ノードn1の電位が入力される。イネーブル信号Enableが“H”になると、ノードn1の電位がクランプ電位Clampに等しくなるような出力信号Outが出力される。
【0436】
図61は、図53のオペアンプOP2の具体例を示している。
【0437】
オペアンプOP2のプラス側入力端子には、図53のインバータ回路I8の出力信号が入力され、そのマイナス側入力端子には、インバータ回路I7の出力信号が入力される。イネーブル信号Enableが“H”になると、インバータ回路I7の出力信号がインバータ回路I8の出力信号に等しくなるような出力信号Outが出力される。
【0438】
▲6▼ 付加電流生成部の電流源の具体例
図62は、付加電流生成部の電流源の一例を示している。
付加電流生成部42の電流源Isは、例えば、メモリセルアレイ部と同じ構成にすることができる。即ち、電流源Isは、並列接続された複数のTMR素子、クランプ回路及びNチャネルMOSトランジスタから構成できる。
【0439】
ここで、電流源Is内のTMR素子の数は、メモリセルアレイの1カラム内又は1ブロック内の並列接続されるTMR素子の数よりも少なくしておくことが好ましい。
【0440】
なお、本例では、付加電流生成部42を構成するに当たって、TMR素子を利用したが、例えば、これに代えて、BGR回路などを利用してもよい。
【0441】
▲7▼ 回路例1,2,3の動作
・ 1回目の読み出し動作
1回目の読み出し動作では、イニシャルデータの読み出しが行われる。
【0442】
カラムアドレス信号が入力され、カラム選択スイッチN7(SW)がオン状態になる。また、オペアンプOP1は、ノードn1の電位がクランプ電位Vclampに等しくなるように、NチャネルMOSトランジスタN8のゲート電位を制御する。
【0443】
この時、読み出し電流は、電源端子VDDから、トランジスタM7,M8及び複数のTMR素子を経由して、接地点に流れ込む。カレントミラー回路M1は、この読み出し電流に等しい電流を、NチャネルMOSトランジスタN9に流す役割を果たす。
【0444】
従って、複数のTMR素子の合成抵抗に応じた電位(イニシャルデータ)がノードn2に表れる。
【0445】
また、制御信号READ1Sは、1回目の読み出し動作時においては、“H”となっている。つまり、トランスファゲート回路TG1は、オン状態、トランスファゲート回路TG2は、オフ状態となっている。このため、ノードn2の電位は、トランスファゲート回路TG1を経由して、記憶回路43に入力される。
【0446】
図53の例では、オペアンプOP2は、そのマイナス側入力電位とそのプラス側入力電位とが互いに等しくなるように、インバータ回路I8内のNチャネルMOSトランジスタのゲート電位を制御する。結果として、インバータ回路I8に流れる電流が、イニシャルデータ(セルデータ)となる。
【0447】
図54の例では、インバータ回路I11の出力ノードn3の電位が、イニシャルデータ(セルデータ)となる。図55の例では、キャパシタC1の一端n3の電位が、イニシャルデータ(セルデータ)となる。
【0448】
1回目の読み出し動作が終わると、制御信号READ1Sは、“L”となり、制御信号bREAD1Sは、“H”となる。その結果、イニシャルデータは、記憶回路43内にラッチされる。
【0449】
・ 2回目の読み出し動作及びデータ判定動作
選択されたTMR素子に試行データを書き込んだ後(通常の破壊読み出し動作)又は書き込むと同時に(改良された破壊読み出し動作)、2回目の読み出し動作が行われ、比較データが読み出される。
【0450】
カラムアドレス信号が入力され、カラム選択スイッチN7(SW)がオン状態になる。また、オペアンプOP1は、ノードn1の電位がクランプ電位Vclampに等しくなるように、NチャネルMOSトランジスタN8のゲート電位を制御する。
【0451】
この時、読み出し電流は、電源端子VDDから、トランジスタM7,M8及び複数のTMR素子を経由して、接地点に流れ込む。カレントミラー回路M1は、この読み出し電流に等しい電流を、NチャネルMOSトランジスタN9に流す役割を果たす。
【0452】
従って、複数のTMR素子の合成抵抗に応じた電位(比較データ)がノードn2に表れる。
【0453】
この時、センスアンプSAのプラス側入力端子には、ノードn2の電位が入力され、そのマイナス側入力端子には、記憶回路43のノードn3の電位が入力される。その結果、センスアンプSAは、ノードn2の電位とノードn3の電位とに基づいて、選択されたTMR素子のデータの値を判定する。
【0454】
(2) 一括読み出し動作原理を適用する場合
一括読み出し動作原理では、読み出し動作時に、読み出しブロック内の複数のTMR素子の合成抵抗値に応じた読み出し電位Vtotalが読み出しビット線BLjに現れる。この合成抵抗値は、読み出しブロック内のTMR素子の数がN(Nは、複数)個の場合に、TMR素子のデータ値の組合せ数に相当する2通りだけ存在する。
【0455】
従って、読み出しビット線BLjに現れた読み出し電位Vtotalを読み出し回路(センスアンプを含む)で検出すれば、読み出しブロック内のTMR素子のデータを、一度に、かつ、容易に、読み出すことができる。
【0456】
▲1▼ センスアンプ
図63は、本発明に関わる読み出し回路の回路例を示している。
この読み出し回路は、センスアンプとしてのアナログ/デジタルコンバータ(A/Dコンバータ)から構成される。
【0457】
直列接続された4つのTMR素子からなるブロックBKjnの一端は、NチャネルMOSトランジスタSWA及びPチャネルMOSトランジスタPx2を経由して電源端子に接続され、他端は、接地端子に接続される。ブロックBKjn内の4つのTMR素子は、直列接続に代えて、並列接続してもよい。
【0458】
第1電流経路は、電源端子から、MOSトランジスタPx2,SWA及び複数のTMR素子を経由して、接地端子までの経路をいうものとする。
【0459】
抵抗値ΔRを有する14個の抵抗素子の一端は、PチャネルMOSトランジスタPx3を経由して電源端子に接続され、他端は、抵抗値15R+ΔR/2を有する抵抗素子を経由して、接地端子に接続される。第2電流経路は、電源端子から、MOSトランジスタPx3及び複数の抵抗素子を経由して、接地端子までの経路をいうものとする。
【0460】
ここで、R及びΔRは、読み出し動作原理の欄で説明したR及びΔRと同じ意味を有するものとする。
【0461】
PチャネルMOSトランジスタPx1,Px2,Px3は、カレントミラー回路を構成している。このため、定電流源Ixにより生成される定電流は、上述の第1及び第2電流経路に流れる。
【0462】
第1電流経路に流れる電流は、読み出し電流となり、この読み出し電流は、複数のTMR素子に流れる。その結果、ノードnrには、ブロックBKjn内のTMR素子のデータ値(合成抵抗値)に応じた読み出し電位Vtotalが現れる。一方、第2電流経路に電流が流れると、各抵抗素子の接続点nx0,nx1,・・・nx13,nx14に所定の基準電位が現れる。
【0463】
差動アンプDI0,DI2,・・・DI13,DI14は、ノードnrの読み出し電位Vtotalと所定の基準電位とを比較し、その比較結果を出力信号O0b1,O1b2,・・・O13b14,O14b15として出力する。
【0464】
例えば、差動アンプDI0のプラス側入力端子には、ノードnx0の基準電位が入力され、そのマイナス側入力端子には、ノードnrの読み出し電位Vtotalが入力される。同様に、差動アンプDI1のプラス側入力端子には、ノードnx1の基準電位が入力され、そのマイナス側入力端子には、ノードnrの読み出し電位Vtotalが入力され、差動アンプDI14のプラス側入力端子には、ノードnx14の基準電位が入力され、そのマイナス側入力端子には、ノードnrの読み出し電位Vtotalが入力される。
【0465】
なお、センスアンプの詳しい動作については、特願2001−365236号に開示されているので、ここでは、省略する。
【0466】
▲2▼ ロジック回路
次に、センスアンプ(A/Dコンバータ)の出力信号O0b1,O1b2,・・・O13b14,O14b15に基づいて、実際に、読み出しブロック内のTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4のデータ値を判定するロジック回路について説明する。
【0467】
図64は、A/Dコンバータの出力信号に基づいてTMR素子MTJ4のデータ値を判定するロジック回路の一例を示している。
【0468】
TMR素子MTJ4のデータ値は、A/Dコンバータの出力信号O0b1,O1b2,・・・O13b14,O14b15のうち、出力信号O7b8に基づいて判断される。
【0469】
TMR素子MTJ4のデータ値は、上述したように、出力信号O7b8の値のみから判断できるため、TMR素子MTJ4のデータ値を判定するロジック回路は、直列接続されたインバータIV1,IV2から構成される。
【0470】
図65は、A/Dコンバータの出力信号に基づいてTMR素子MTJ3のデータ値を判定するロジック回路の一例を示している。
【0471】
TMR素子MTJ3のデータ値は、A/Dコンバータの出力信号O0b1,O1b2,・・・O13b14,O14b15のうち、出力信号O3b4,O7b8,O11b12に基づいて判断される。
【0472】
TMR素子MTJ3のデータ値は、上述したように、出力信号O3b4,O7b8,O11b12の値から判断できるため、TMR素子MTJ3のデータ値を判定するロジック回路は、インバータIV3,IV4及びNORゲート回路NR1,NR2から構成される。
【0473】
例えば、O3b4=“1”のときは、TMR素子MTJ3のデータ値は、“1”と判断される。また、O3b4=“0”,O7b8=“1”のときは、TMR素子MTJ3のデータ値は、“0”と判断され、O3b4=“0”,O7b8=“0”,O11b12=“1”のときは、TMR素子MTJ3のデータ値は、“1”と判断され、O3b4=“0”,O7b8=“0”,O11b12=“0”のときは、TMR素子MTJ3のデータ値は、“0”と判断される。
【0474】
図66は、A/Dコンバータの出力信号に基づいてTMR素子MTJ2のデータ値を判定するロジック回路の一例を示している。
【0475】
TMR素子MTJ2のデータ値は、A/Dコンバータの出力信号O0b1,O1b2,・・・O13b14,O14b15のうち、出力信号O1b2,O3b4,O5b6,O7b8,O9b10,O11b12,O13b14に基づいて判断される。
【0476】
TMR素子MTJ2のデータ値を判定するロジック回路は、インバータIV5,IV6,IV7,IV8及びNORゲート回路NR3,NR4,NR5,NR6から構成される。
【0477】
例えば、O1b2=“1”のときは、TMR素子MTJ2のデータ値は、“1”と判断される。また、O1b2=“0”,O3b4=“1”のときは、TMR素子MTJ2のデータ値は、“0”と判断され、O1b2=“0”,O3b4=“0”,O5b6=“1”のときは、TMR素子MTJ2のデータ値は、“1”と判断される。
【0478】
図67は、A/Dコンバータの出力信号に基づいてTMR素子MTJ1のデータ値を判定するロジック回路の一例を示している。
【0479】
TMR素子MTJ1のデータ値は、A/Dコンバータの全ての出力信号O0b1,O1b2,・・・O13b14,O14b15に基づいて判断される。
【0480】
TMR素子MTJ1のデータ値を判定するロジック回路は、インバータIV9,IV10,IV11,IV12,IV13,IV14,IV15,IV16及びNORゲート回路NR7,NR8,NR9,NR10,NR11,NR12,NR13,NR14から構成される。
【0481】
例えば、O0b1=“1”のときは、TMR素子MTJ1のデータ値は、“1”と判断される。また、O0b1=“0”,O1b2=“1”のときは、TMR素子MTJ1のデータ値は、“0”と判断され、O0b1=“0”,O1b2=“0”,O2b3=“1”のときは、TMR素子MTJ1のデータ値は、“1”と判断される。
【0482】
なお、A/Dコンバータの出力信号O0b1,O1b2,・・・O13b14,O14b15の出力信号のパターンは、全て“1”の場合、全て“0”の場合、及び、“0”と“1”が存在する場合の3通りとなる。
【0483】
また、“0”と“1”が存在する場合には、常に、“0”と“1”の境界が存在し、その境界の一方側の出力信号は、全て、“0”、他方側の出力信号は、全て、“1”となる。
【0484】
6. 読み出し回路以外の回路例
読み出し回路以外の回路例、即ち、書き込みワード線ドライバ/シンカーの回路例、書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例、読み出しワード線ドライバの回路例、及び、カラムデコーダの回路例について説明する。
【0485】
(1) 書き込みワード線ドライバ/シンカー
図68は、書き込みワード線ドライバ/シンカーの回路例を示している。
本例では、「2.セルアレイ構造」の欄で説明したように、1ロウ内には、4段に積み重ねされたTMR素子と3本の書き込みワード線が存在することを前提とする。同図では、書き込みワード線ドライバ/シンカーの1ロウ分のみを示している。
【0486】
書き込みワード線ドライバ23A−0は、PチャネルMOSトランジスタQP15,QP16,QP17及びNANDゲート回路ND1,ND2,ND3を含んでいる。書き込みワード線シンカー24−0は、NチャネルMOSトランジスタQN15,QN16,QN17から構成される。
【0487】
PチャネルMOSトランジスタQP15は、電源端子と上段の書き込みワード線WWL2との間に接続される。NANDゲート回路ND1の出力信号は、PチャネルMOSトランジスタQP15のゲートに供給される。NチャネルMOSトランジスタQN15は、上段の書き込みワード線WWL2と接地端子の間に接続される。
【0488】
NANDゲート回路ND1の出力信号が“0”のとき、書き込みワード線WWL2に書き込み電流が流れる。
【0489】
PチャネルMOSトランジスタQP16は、電源端子と中段の書き込みワード線WWL1との間に接続される。NANDゲート回路ND2の出力信号は、PチャネルMOSトランジスタQP16のゲートに供給される。NチャネルMOSトランジスタQN16は、中段の書き込みワード線WWL1と接地端子の間に接続される。
【0490】
NANDゲート回路ND2の出力信号が“0”のとき、書き込みワード線WWL1に書き込み電流が流れる。
【0491】
PチャネルMOSトランジスタQP17は、電源端子と下段の書き込みワード線WWL0との間に接続される。NANDゲート回路ND3の出力信号は、PチャネルMOSトランジスタQP17のゲートに供給される。NチャネルMOSトランジスタQN17は、下段の書き込みワード線WWL0と接地端子の間に接続される。
【0492】
NANDゲート回路ND3の出力信号が“0”のとき、書き込みワード線WWL0に書き込み電流が流れる。
【0493】
NORゲート回路NR15及びエクスクルーシブORゲート回路Ex−OR1には、それぞれ複数ビットのロウアドレス信号のうちの下位2ビットが入力される。この下位2ビットは、選択されたロウ内の3本の書き込みワード線WWL0,WWL1,WWL2のうちの1本を選択するために使用される。
【0494】
NORゲート回路NR15の出力信号は、NANDゲート回路ND1に入力され、エクスクルーシブORゲート回路Ex−OR1の出力信号は、NANDゲート回路ND2に入力される。
【0495】
このような書き込みワード線ドライバ/シンカーにおいては、書き込み動作時、書き込み信号WRITEは、“1”となる。また、複数ビットのロウアドレス信号のうち、下位2ビットを除く、上位ロウアドレス信号に基づいて、複数のロウのうちの1つが選択される。選択されたロウでは、上位ロウアドレス信号の全てのビットは、“1”となる。
【0496】
選択されたロウでは、複数ビットのロウアドレス信号のうち、下位2ビットRA0,RA1に基づいて、書き込みワード線WWL0,WWL1,WWL2に書き込み電流を流すか否を決定する。
【0497】
例えば、書き込み動作時、選択されたロウでは、RA0=“0”,RA1=“0”となると、NANDゲート回路ND1の入力信号は、全て“1”となる。その結果、NANDゲート回路ND1の出力信号が“0”となり、PチャネルMOSトランジスタQP15がオン状態となり、書き込みワード線WWL2に書き込み電流が流れる。
【0498】
また、RA0=“1”,RA1=“1”となると、NANDゲート回路ND3の入力信号は、全て“1”となる。その結果、NANDゲート回路ND3の出力信号が“0”となり、PチャネルMOSトランジスタQP17がオン状態となり、書き込みワード線WWL0に書き込み電流が流れる。
【0499】
また、RA0とRA1が異なる値(一方が“0”で、他方が“1”)になると、NANDゲート回路ND2の入力信号は、全て“1”となる。その結果、NANDゲート回路ND2の出力信号が“0”となり、PチャネルMOSトランジスタQP16がオン状態となり、書き込みワード線WWL1に書き込み電流が流れる。
【0500】
(2) 書き込みビット線ドライバ/シンカー
図69は、書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例を示している。
本例では、1カラム内には、4段に積み重ねされたTMR素子と2本の書き込みビット線が存在することを前提とする。同図では、書き込みビット線ドライバ/シンカーの1カラム分のみを示している。
【0501】
書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aは、PチャネルMOSトランジスタQP18,QP19、NチャネルMOSトランジスタQN18,QN19、NANDゲート回路ND4,ND5、ANDゲート回路AD1,AD2、NORゲート回路NR16及びインバータIV17,IV18から構成される。
【0502】
書き込みビット線ドライバ/シンカー31は、PチャネルMOSトランジスタQP20,QP21、NチャネルMOSトランジスタQN20,QN21、NANDゲート回路ND6,ND7、ANDゲート回路AD3,AD4、NORゲート回路NR17及びインバータIV19,IV20から構成される。
【0503】
PチャネルMOSトランジスタQP18は、電源端子と下段の書き込みビット線BL01との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN18は、下段の書き込みビット線BL00と接地端子との間に接続される。PチャネルMOSトランジスタQP20は、電源端子と下段の書き込みビット線BL00との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN20は、下段の書き込みビット線BL00と接地端子との間に接続される。
【0504】
NANDゲート回路ND4の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD3の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL00には、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0505】
NANDゲート回路ND6の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD1の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL00には、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0506】
PチャネルMOSトランジスタQP19は、電源端子と上段の書き込みビット線BL01との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN19は、上段の書き込みビット線BL01と接地端子との間に接続される。PチャネルMOSトランジスタQP21は、電源端子と上段の書き込みビット線BL01との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN21は、上段の書き込みビット線BL01と接地端子との間に接続される。
【0507】
NANDゲート回路ND5の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD4の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL01には、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0508】
NANDゲート回路ND7の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD2の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL01には、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0509】
このような書き込みビット線ドライバ/シンカーにおいては、書き込み動作時、書き込み信号WRITEは、“1”となる。また、選択されたカラムでは、複数ビットのカラムアドレス信号の全ビットが“1”となる。
【0510】
また、本例では、複数ビットのロウアドレス信号のうちの1ビットRA1を用いて、1カラム内の2つの書き込みビット線BL00,BL01のうちの1つを選択する。例えば、RA1が“1”のときは、書き込みビット線BL00が選択され、RA1が“0”のときは、書き込みビット線BL00が選択される。
【0511】
また、選択されたカラム内の選択された書き込みビット線に流す書き込み電流の向きは、書き込みデータDATAの値に応じて決定される。
【0512】
例えば、書き込みビット線BL01が選択されているとき(RA1=“1”のとき)は、書き込みデータDATAが“1”であると、NANDゲート回路ND5の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD4の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL01に、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0513】
また、書き込みビット線BL01が選択されているとき(RA1=“1”のとき)は、書き込みデータDATAが“0”であると、NANDゲート回路ND7の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD2の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL01に、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0514】
また、書き込みビット線BL00が選択されているとき(RA1=“0”のとき)は、書き込みデータDATAが“1”であると、NANDゲート回路ND4の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD3の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL00に、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0515】
また、書き込みビット線BL00が選択されているとき(RA1=“0”のとき)は、書き込みデータDATAが“0”であると、NANDゲート回路ND6の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD1の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL00に、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0516】
なお、図2及び図3に示すようなデバイス構造を採用した場合、例えば、書き込みビット線BLj0は、2つのTMR素子MTJ1,MTJ2に共用される。ここで、TMR素子MTJ1から見ると、書き込みビット線BLj0は、その上方にあり、TMR素子MTJ2から見ると、書き込みビット線BLj0は、その下方にある。
【0517】
従って、例えば、書き込み電流の向きが、図1の書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向かう方向である場合、この書き込み電流により、TMR素子MTJ1が受ける磁場とTMR素子MTJ2が受ける磁場とは、互いに逆向きとなる。
【0518】
このように、1つの書き込みビット線を2つのTMR素子で共有する場合には、その書き込みビット線に流す書き込み電流の向きが同じであっても、2つのTMR素子に作用する磁場は、逆向きとなり、磁化方向も、互いに逆になる点に注意する必要がある。
【0519】
これは、例えば、図2及び図3のデバイス構造における2つのTMR素子MTJ3,MTJ4についても言えることである。
【0520】
各TMR素子MTJ1,MTJ2.MTJ3,MTJ4に関して、ピン層の磁化の向きを個別に設定し得る場合には、例えば、書き込みビット線BLj0の下方に存在するTMR素子MTJ1のピン層の磁化の向きと、書き込みビット線BLj0の上方に存在するTMR素子MTJ2のピン層の磁化の向きとを、互いに逆向きにすることにより、上述の読み出し動作原理及び読み出し回路で説明した論理をそのまま適用できる。
【0521】
即ち、ピン層の磁化方向と記憶層の磁化方向が同じ場合を“1”とし、ピン層の磁化方向と記憶層の磁化方向が異なる場合を“0”とすることができる。
【0522】
各TMR素子MTJ1,MTJ2.MTJ3,MTJ4に関して、ピン層の磁化の向きが全て同じである場合には、上述の読み出し動作原理及び読み出し回路で説明した論理をそのまま適用しようとすると、書き込み動作又は読み出し動作について、さらなる工夫が必要となる。
【0523】
例えば、書き込み動作時に、書き込みビット線の下方のTMR素子に対する書き込みと、書き込みビット線の上方のTMR素子に対する書き込みとを、時間をずらして別々に行うことにより、ピン層の磁化方向と記憶層の磁化方向が同じ場合を“1”とし、ピン層の磁化方向と記憶層の磁化方向が異なる場合を“0”とすることができる。
【0524】
書き込みビット線の下方のTMR素子の“1”/“0”の条件(ピン層の磁化方向と記憶層の磁化方向との関係)と、書き込みビット線の上方のTMR素子の“1”/“0”の条件が逆の場合には、読み出し動作時におけるデータを判定する論理を変える必要がある。
【0525】
(3) 読み出しワード線ドライバ
図70は、読み出しワード線ドライバの回路例を示している。
読み出しワード線ドライバ23B−0は、ANDゲート回路AD5から構成される。ANDゲート回路AD5には、読み出し信号READ及び上位ロウアドレス信号が入力される。
【0526】
読み出し信号は、読み出し動作時に、“1”となる信号である。上位ロウアドレス信号は、書き込みワード線ドライバ/シンカー(図68)における上位ロウアドレス信号と同じである。即ち、複数ビットのロウアドレス信号のうち、カラムの選択に使用する上位ロウアドレス信号に基づいて、読み出しワード線RWL0の電位を決定する。
【0527】
選択されたロウでは、上位ロウアドレス信号の全ビットは、“1”となるため、読み出しワード線RWL0の電位は、“1”となる。
【0528】
(4) カラムデコーダ
図71は、カラムデコーダの回路例を示している。
カラムデコーダ32は、ANDゲート回路AD6から構成される。ANDゲート回路AD6には、読み出し信号READ及びカラムアドレス信号が入力される。読み出し信号は、読み出し動作時に、“1”となる信号である。また、選択されたカラムでは、カラムアドレス信号の全ビットは、“1”となるため、カラム選択信号CSLjの電位は、“1”となる。
【0529】
(5) 構造例4,5の場合
▲1▼ 書き込みワード線ドライバ/シンカー
図72は、書き込みワード線ドライバ/シンカーの回路例を示している。
同図は、図68に対応させて、書き込みワード線ドライバ/シンカーの1ロウ分のみを示している。
【0530】
図68と図72を比較すれば分かるように、構造例4,5を採用した場合には、書き込みワード線ドライバ/シンカーが簡略化される。
【0531】
具体的には、図68の場合には、1ロウ内には、3本の書き込みワード線WWL0,WWL1,WWL2を駆動するための3つのドライバ/シンカーが必要であったが、図72の場合には、1ロウ内には、1本の書き込みワード線WWL0を駆動するための1つのドライバ/シンカーを設ければ足りる。
【0532】
書き込みワード線ドライバ23A−0は、PチャネルMOSトランジスタQP15及びNANDゲート回路ND1から構成される。書き込みワード線シンカー24−0は、NチャネルMOSトランジスタQN15から構成される。
【0533】
PチャネルMOSトランジスタQP15は、電源端子と書き込みワード線WWL0との間に接続される。NANDゲート回路ND1の出力信号は、PチャネルMOSトランジスタQP15のゲートに供給される。NチャネルMOSトランジスタQN15は、書き込みワード線WWL0と接地端子の間に接続される。
【0534】
NANDゲート回路ND1の出力信号が“0”のとき、書き込みワード線WWL0に書き込み電流が流れる。
【0535】
このような書き込みワード線ドライバ/シンカーにおいては、書き込み動作時、書き込み信号WRITEは、“1”となる。また、複数ビットのロウアドレス信号に基づいて、複数のロウのうちの1つが選択される。選択されたロウでは、上位ロウアドレス信号の全てのビットは、“1”となる。選択されたロウでは、書き込みワード線に書き込み電流が流れる。
【0536】
▲2▼ 書き込みビット線ドライバ/シンカー
図73は、書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例を示している。
同図は、図69に対応させて、書き込みワード線ドライバ/シンカーの1ロウ分のみを示している。
【0537】
図69と図73を比較すれば分かるように、構造例4,5を採用した場合には、書き込みビット線ドライバ/シンカーが簡略化される。
【0538】
具体的には、図69の場合には、1カラム内には、2本の書き込みビット線BL00,BL01を駆動するための2つのドライバ/シンカーが必要であったが、図73の場合には、1カラム内には、1本の書き込みビット線BL01を駆動するための1つのドライバ/シンカーを設ければ足りる。
【0539】
書き込みビット線ドライバ/シンカー31は、PチャネルMOSトランジスタQP19,QP21、NチャネルMOSトランジスタQN19,QN21、NANDゲート回路ND5,ND7、ANDゲート回路AD2,AD4及びインバータIV18,IV20から構成される。
【0540】
PチャネルMOSトランジスタQP19は、電源端子と書き込みビット線BL01との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN19は、書き込みビット線BL01と接地端子との間に接続される。PチャネルMOSトランジスタQP21は、電源端子と書き込みビット線BL01との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN21は、書き込みビット線BL01と接地端子との間に接続される。
【0541】
NANDゲート回路ND5の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD4の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL01には、PチャネルMOSトランジスタQP19からNチャネルMOSトランジスタQN21へ向う書き込み電流が流れる。
【0542】
NANDゲート回路ND7の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD2の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL01には、PチャネルMOSトランジスタQP21からNチャネルMOSトランジスタQN19へ向う書き込み電流が流れる。
【0543】
このような書き込みビット線ドライバ/シンカーにおいては、書き込み動作時、書き込み信号WRITEは、“1”となる。また、選択されたカラムでは、複数ビットのカラムアドレス信号の全ビットが“1”となる。
【0544】
また、選択されたカラム内の選択された書き込みビット線に流す書き込み電流の向きは、書き込みデータDATAの値に応じて決定される。
【0545】
例えば、書き込みデータDATAが“1”であると、NANDゲート回路ND5の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD4の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL01に、PチャネルMOSトランジスタQP19からNチャネルMOSトランジスタQN21へ向う書き込み電流が流れる。
【0546】
また、書き込みデータDATAが“0”であると、NANDゲート回路ND7の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD2の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL01に、PチャネルMOSトランジスタQP21からNチャネルMOSトランジスタQN19へ向う書き込み電流が流れる。
【0547】
7. 各TMR素子のピン層と記憶層の位置関係
構造例1〜6のように、例えば、書き込み線(書き込みワード線又は書き込みビット線)に対して、その上部と下部に、それぞれTMR素子を配置し、かつ、その書き込み線に流れる書き込み電流により発生する磁界を用いて、その上部又は下部にあるTMR素子にデータを書き込む場合、各TMR素子のピン層(固定層)と記憶層(自由層)の位置関係や、ピン層の磁化の向きなどについて検討する必要がある。
【0548】
なぜなら、各TMR素子のピン層と記憶層の位置関係や、書き込み線に流れる電流の向きなどによって、書き込み動作原理又は書き込み回路の構成が変わってくるためである。
【0549】
(1) 各TMR素子のピン層と記憶層の位置関係
図74に示すように、各TMR素子(MTJ素子)のピン層と記憶層の位置関係(相対関係)は、使用する書き込み線に対して対称となっていることが望ましい。
【0550】
例えば、書き込み線(書き込みワード線又は書き込みビット線)に対して、その上部と下部に、それぞれTMR素子を配置し、かつ、その書き込み線に流れる書き込み電流により発生する磁界を用いて、その上部又は下部にあるTMR素子にデータを書き込む場合、各TMR素子のピン層と記憶層の位置関係は、その書き込み線に対して対称となるように設定する。
【0551】
具体的には、書き込み線の下部のTMR素子の構造が、書き込み配線に近い側に記憶層が存在し、それに遠い側にピン層が存在する構造である場合には、書き込み線の上部のTMR素子の構造についても、書き込み配線に近い側に記憶層が存在し、それに遠い側にピン層が存在する構造となるようにする。
【0552】
同様に、書き込み線の下部のTMR素子の構造が、書き込み配線に近い側にピン層が存在し、それに遠い側に記憶層が存在する構造である場合には、書き込み線の上部のTMR素子の構造についても、書き込み配線に近い側にピン層が存在し、それに遠い側に記憶層が存在する構造となるようにする。
【0553】
なお、このような位置関係は、メモリセルアレイ内の全てのTMR素子に対して成立するようにする。また、メモリセルアレイ内の全ての書き込み線に対して、その上部に配置されるTMR素子とその下部に配置されるTMR素子は、互いに対称に配置されるようにする。
【0554】
このような位置関係にすれば、書き込み線から記憶層までの距離は、全てのTMR素子で実質的に等しくなる。つまり、書き込み線に流れる書き込み電流により発生する磁界の影響が全てのTMR素子で同じとなるため、全てのTMR素子の書き込み特性を同じにすることができる。
【0555】
ところで、この場合、書き込み線に対して下部(又は上部)に配置されるTMR素子の向きと、その書き込み線に対して上部(又は下部)に配置されるTMR素子の向きとは、互いに逆となる。
【0556】
但し、このようなメモリセルアレイ内のTMR素子が全て同じ方向を向いておらず、例えば、複数段に積み重ねられたTMR素子に関して、各段ごとに、TMR素子の向きが異なることは、何ら、本発明にとって、デメリットとはならない(ここでいう向きとは、上向き及び下向きの2種類のみである。また、上及び下の定義としては、半導体基板側を下と定義する。)。
【0557】
なぜなら、TMR素子を形成するときに、TMR素子を構成する各層を形成する順番を変えるだけで、容易に、TMR素子の向きを変えることができるからである。
【0558】
(2) TMR素子のピン層の磁化の向き
書き込み線(書き込みワード線又は書き込みビット線)に対して、その上部と下部に、それぞれTMR素子を配置し、かつ、その書き込み線に流れる書き込み電流により発生する磁界を用いて、その上部又は下部にあるTMR素子にデータを書き込む場合、TMR素子のピン層の磁化の向きによって、書き込み動作原理や読み出し動作原理を変える必要がある。
【0559】
なぜなら、書き込み線に流れる電流の向きが一定でも、その上部に配置されるTMR素子に与えられる磁界の向きと、その下部に配置されるTMR素子に与えられる磁界の向きとは、逆向きになるためである。
【0560】
▲1▼ ピン層の磁化の向きを個別に設定する場合
ピン層の磁化の向きを個別に設定し得る場合には、書き込み線(書き込みワード線、書き込みビット線)の下部に存在するTMR素子のピン層の磁化の向きと、書き込み線の上部に存在するTMR素子のピン層の磁化の向きとを、互いに逆向きにすることにより、通常通りに、読み出し動作原理及び書き込み動作原理を適用できる。
【0561】
即ち、ピン層の磁化方向と記憶層の磁化方向が同じ場合を“1”とし、ピン層の磁化方向と記憶層の磁化方向が異なる場合を“0”とすることができる。
【0562】
以下、具体例について述べる。
前提条件として、図75及び図76に示すように、TMR素子MTJ1,MTJ2の磁化容易軸は、X方向(書き込みワード線が延びる方向)を向き、かつ、書き込みビット線BL00の下部に配置されるTMR素子MTJ1のピン層の磁化の向きは、左側、書き込みビット線BL00の上部に配置されるTMR素子MTJ2のピン層の磁化の向きは、右側であるものとする。
【0563】
また、書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流の向きにより書き込みデータが決定され、書き込みワード線WWL0,WWL1には、一方向に向かう書き込み電流のみが流れるものとする。
【0564】
・ 書き込みビット線の下部のTMR素子にデータを書き込む場合
[“1”−書き込み]
図75に示すように、書き込みワード線WWL0には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面に吸い込まれる方向に書き込み電流を流す。書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、右回りの円を描くようになる。
【0565】
この場合、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1には、左向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の向きは、左向きとなる。
【0566】
従って、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の状態は、平行となり、データ“1”が書き込まれる。
【0567】
[“0”−書き込み]
書き込みワード線WWL0には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面から吐き出される方向に書き込み電流を流す。書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、左回りの円を描くようになる。
【0568】
この場合、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1には、右向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の向きは、右向きとなる。
【0569】
従って、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の状態は、反平行となり、データ“0”が書き込まれる。
【0570】
・ 書き込みビット線の上部のTMR素子にデータを書き込む場合
書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2に対しては、TMR素子MTJ1に対する書き込み条件と同じ条件で、同じデータを書き込むことができれば、2つのTMR素子MTJ1,MTJ2に対しては、同一の書き込み回路(書き込みビット線ドライバ/シンカー)及び同一の読み出し回路を用いて、書き込み/読み出し動作を実行することができる。
【0571】
[“1”−書き込み]
図76に示すように、書き込みワード線WWL1には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面に吸い込まれる方向に書き込み電流を流す。
【0572】
この書き込み条件は、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1に対する“1”−書き込みの条件と同じである。この時、書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、右回りの円を描くようになる。
【0573】
この場合、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2には、右向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の向きは、右向きとなる。
【0574】
従って、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の状態は、平行となり、データ“1”が書き込まれる。
【0575】
このように、TMR素子MTJ,MTJ2のピン層の磁化の向きを異なるものとすることで、TMR素子MTJ,MTJ2には、同じ書き込み条件で、同じデータを書き込むことができる。
【0576】
[“0”−書き込み]
書き込みワード線WWL1には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面から吐き出される方向に書き込み電流を流す。
【0577】
この書き込み条件は、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1に対する“0”−書き込みの条件と同じである。この時、書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、左回りの円を描くようになる。
【0578】
この場合、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2には、左向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の向きは、左向きとなる。
【0579】
従って、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の状態は、反平行となり、データ“0”が書き込まれる。
【0580】
このように、TMR素子MTJ,MTJ2のピン層の磁化の向きを異なるものとすることで、TMR素子MTJ,MTJ2には、同じ書き込み条件で、同じデータを書き込むことができる。
【0581】
▲2▼ 全てのTMR素子のピン層の磁化の向きが同じ場合
全てのTMR素子のピン層の磁化の向きを同じにする場合、例えば、ウェハプロセスを終了した後、全てのTMR素子のピン層に一度に同じ方向の磁界を与えて、瞬時に、全てのTMR素子のピン層の磁化の向きを決定できる。
【0582】
特に、磁界を与えるときに、ウェハの温度を上昇させることにより、全てのTMR素子のピン層の磁化の向きを容易に決定できる。
【0583】
しかし、この場合、書き込み線の下部に配置されるTMR素子とその上部に配置されるTMR素子に関しては、同じ書き込み条件で、同じデータを書き込むことができない。
【0584】
従って、対応策としては、A. 書き込み回路(書き込みビット線ドライバ/シンカー)の構成、即ち、書き込み条件を変えないで、読み出し回路の構成を変える対応策と、B. 書き込み回路(書き込みビット線ドライバ/シンカー)の構成、即ち、書き込み条件を変えて、読み出し回路の構成を変えない対応策の2つがある。
【0585】
以下、具体例について述べる。
前提条件として、図77及び図79に示すように、TMR素子MTJ1,MTJ2の磁化容易軸は、X方向(書き込みワード線が延びる方向)を向き、かつ、書き込みビット線BL00の下部に配置されるTMR素子MTJ1のピン層の磁化の向き、及び、書き込みビット線BL00の上部に配置されるTMR素子MTJ2のピン層の磁化の向きは、共に、左側であるものとする。
【0586】
また、書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流の向きにより書き込みデータが決定され、書き込みワード線WWL0,WWL1には、一方向に向かう書き込み電流のみが流れるものとする。
【0587】
A. 書き込み条件を変えない場合
・ 書き込みビット線の下部のTMR素子にデータを書き込む場合
[“1”−書き込み]
図77に示すように、書き込みワード線WWL0には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面に吸い込まれる方向に書き込み電流を流す。書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、右回りの円を描くようになる。
【0588】
この場合、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1には、左向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の向きは、左向きとなる。
【0589】
従って、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の状態は、平行となり、データ“1”が書き込まれる。
【0590】
[“0”−書き込み]
書き込みワード線WWL0には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面から吐き出される方向に書き込み電流を流す。書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、左回りの円を描くようになる。
【0591】
この場合、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1には、右向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の向きは、右向きとなる。
【0592】
従って、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の状態は、反平行となり、データ“0”が書き込まれる。
【0593】
・ 書き込みビット線の上部のTMR素子にデータを書き込む場合
書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2に対しては、TMR素子MTJ1に対する書き込み条件と同じ条件、即ち、同一の書き込み回路(書き込みビット線ドライバ/シンカー)を用いて書き込み動作を実行する。
【0594】
[“1”−書き込み]
図78に示すように、書き込みワード線WWL1には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面に吸い込まれる方向に書き込み電流を流す。
【0595】
この書き込み条件は、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1に対する“1”−書き込みの条件と同じである。この時、書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、右回りの円を描くようになる。
【0596】
この場合、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2には、右向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の向きは、右向きとなる。
【0597】
従って、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の状態は、反平行、即ち、データ“0”が記憶された状態となる。
【0598】
ここで、TMR素子MTJ2に対する書き込みデータは、“1”であったのであるから、読み出し時には、TMR素子MTJ2に記憶された“0”−データは、“0”ではなく、“1”として、読み出さなければならない。
【0599】
そこで、読み出し回路の構成を多少変更する。
【0600】
基本的には、書き込みビット線の上部に存在するTMR素子に対して、書き込みデータが反転した状態で記憶されるため、書き込みビット線の上部に存在するTMR素子のデータを読み出すための読み出し回路の出力部(最終段)に、1つのインバータを追加すればよい。
【0601】
例えば、構造例1〜6では、2段目のTMR素子MTJ2と4段目のTMR素子MTJ4が書き込みビット線の上部に配置される。
そこで、例えば、いわゆる一括読み出し動作原理を適用する場合には、図64及び図66のロジック回路の出力部に、さらに、1つのインバータを追加すればよい。
【0602】
このように、TMR素子MTJ,MTJ2のピン層の磁化の向きが同じ場合には、書き込み線の上部に配置されるTMR素子とその下部に配置されるTMR素子のいずれか一方には、書き込みデータと逆のデータが記憶される。
【0603】
従って、逆のデータが記憶されたTMR素子のデータを読み出す読み出し回路の出力部(最終段)に、1つのインバータを追加すれば、書き込み回路(書き込みビット線ドライバ/シンカー)の構成を変えることなく、書き込み動作を行うことができる。
【0604】
[“0”−書き込み]
書き込みワード線WWL1には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面から吐き出される方向に書き込み電流を流す。
【0605】
この書き込み条件は、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1に対する“0”−書き込みの条件と同じである。この時、書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、左回りの円を描くようになる。
【0606】
この場合、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2には、左向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の向きは、左向きとなる。
【0607】
従って、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の状態は、平行、即ち、データ“1”が記憶された状態となる。
【0608】
ここで、TMR素子MTJ2に対する書き込みデータは、“0”であったのであるから、読み出し時には、TMR素子MTJ2に記憶された“1”−データは、“1”ではなく、“0”として、読み出さなければならない。
【0609】
そこで、上述したように、書き込みビット線の上部に存在するTMR素子のデータを読み出すための読み出し回路の出力部(最終段)に、1つのインバータが追加されていれば、問題なく、データを読み出すことができる。
【0610】
B. 書き込み条件を変える場合
書き込み条件を変えれば、例えば、書き込みデータが“1”のときは、TMR素子MTJ1,MTJ2の状態を、共に、平行にすることができ、書き込みデータが“0”のときは、TMR素子MTJ1,MTJ2の状態を、共に、反平行にすることができる。
【0611】
つまり、読み出し回路を変更する必要はない。
【0612】
・ 書き込みビット線の下部のTMR素子にデータを書き込む場合
[“1”−書き込み]
図77に示すように、書き込みワード線WWL0には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面に吸い込まれる方向に書き込み電流を流す。書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、右回りの円を描くようになる。
【0613】
この場合、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1には、左向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の向きは、左向きとなる。
【0614】
従って、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の状態は、平行となり、データ“1”が書き込まれる。
【0615】
[“0”−書き込み]
書き込みワード線WWL0には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面から吐き出される方向に書き込み電流を流す。書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、左回りの円を描くようになる。
【0616】
この場合、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1には、右向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の向きは、右向きとなる。
【0617】
従って、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1の磁化の状態は、反平行となり、データ“0”が書き込まれる。
【0618】
・ 書き込みビット線の上部のTMR素子にデータを書き込む場合
[“1”−書き込み]
図79に示すように、書き込みワード線WWL1には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面から吐き出される方向に書き込み電流を流す。
【0619】
この書き込み条件は、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1に対する“1”−書き込みの条件とは異なっている。つまり、書き込みデータを同じと仮定した場合、TMR素子が書き込み線の上部に存在するか又は下部に存在するかによって、書き込み線に流す書き込み電流の向きが変わってくる。
【0620】
なお、このような動作を実現する書き込み回路(書き込みビット線ドライバ/シンカーについては、後述する。
【0621】
この時、書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、左回りの円を描くようになる。
【0622】
この場合、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2には、左向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の向きは、左向きとなる。
【0623】
従って、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の状態は、平行、即ち、データ“1”が記憶された状態となる。
【0624】
[“0”−書き込み]
書き込みワード線WWL1には、一方向に向かう書き込み電流を流し、書き込みビット線BL00には、紙面に吸い込まれる方向に書き込み電流を流す。
【0625】
この書き込み条件は、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1に対する“0”−書き込みの条件とは異なっている。つまり、書き込みデータを同じと仮定した場合、TMR素子が書き込み線の上部に存在するか又は下部に存在するかによって、書き込み線に流す書き込み電流の向きが変わってくる。
【0626】
この時、書き込みビット線BL00に流れる書き込み電流により発生する磁界は、書き込みビット線BL00を中心に、右回りの円を描くようになる。
【0627】
この場合、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2には、右向きの磁界が与えられる。このため、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の向きは、右向きとなる。
【0628】
従って、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2の磁化の状態は、反平行、即ち、データ“0”が記憶された状態となる。
【0629】
▲3▼ 全てのTMR素子のピン層の磁化の向きが同じ場合の書き込み回路(書き込みビット線ドライバ/シンカー)の構成
図80は、書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例を示している。
図80の回路は、図69の回路の変形例となっている。即ち、図80の回路は、図69に回路に新機能、即ち、TMR素子の位置情報に基づいて書き込み電流の向きを変える機能を持たせた点に特徴を有する。
【0630】
この書き込みビット線ドライバ/シンカーは、構造例1〜6の磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造に対応している。
【0631】
読み出しブロックを構成する4つのTMR素子MTJ1,MTJ2,MTJ3,MTJ4は、4段に積み重ねられ、TMR素子MTJ1とTMR素子MTJ2の間に、書き込みビット線BL00が配置され、TMR素子MTJ3とTMR素子MTJ4の間に、書き込みビット線BL01が配置されるものとする。
【0632】
TMR素子MTJ1,MTJ3は、書き込みビット線BL00,BL01の下部に配置され、TMR素子MTJ2,MTJ4は、書き込みビット線BL00,BL01の上部に配置される。
【0633】
同図では、書き込みビット線ドライバ/シンカーの1カラム分のみを示している。
【0634】
書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aは、PチャネルMOSトランジスタQP18,QP19、NチャネルMOSトランジスタQN18,QN19、NANDゲート回路ND4,ND5、ANDゲート回路AD1,AD2、NORゲート回路NR16、インバータIV17、エクスクルーシブオア回路Ex−OR1,Ex−OR2,Ex−OR5及びエクスクルーシブノア回路Ex−NR1から構成される。
【0635】
書き込みビット線ドライバ/シンカー31は、PチャネルMOSトランジスタQP20,QP21、NチャネルMOSトランジスタQN20,QN21、NANDゲート回路ND6,ND7、ANDゲート回路AD3,AD4、NORゲート回路NR17、インバータIV19、エクスクルーシブオア回路Ex−OR3,Ex−OR4,Ex−OR6及びエクスクルーシブノア回路Ex−NR2から構成される。
【0636】
PチャネルMOSトランジスタQP18は、電源端子と下段の書き込みビット線BL00との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN18は、下段の書き込みビット線BL00と接地端子との間に接続される。PチャネルMOSトランジスタQP20は、電源端子と下段の書き込みビット線BL00との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN20は、下段の書き込みビット線BL00と接地端子との間に接続される。
【0637】
NANDゲート回路ND4の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD3の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL00には、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0638】
NANDゲート回路ND6の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD1の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL00には、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0639】
PチャネルMOSトランジスタQP19は、電源端子と上段の書き込みビット線BL01との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN19は、上段の書き込みビット線BL01と接地端子との間に接続される。PチャネルMOSトランジスタQP21は、電源端子と上段の書き込みビット線BL01との間に接続され、NチャネルMOSトランジスタQN21は、上段の書き込みビット線BL01と接地端子との間に接続される。
【0640】
NANDゲート回路ND5の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD4の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL01には、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0641】
NANDゲート回路ND7の出力信号が“0”、ANDゲート回路AD2の出力信号が“1”のとき、書き込みビット線BL01には、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0642】
このような書き込みビット線ドライバ/シンカーにおいては、書き込み動作時、書き込み信号WRITEは、“1”となる。また、選択されたカラムでは、複数ビットのカラムアドレス信号の全ビットが“1”となる。
【0643】
また、本例では、複数ビットのロウアドレス信号のうちの1ビットRA1を用いて、1カラム内の2つの書き込みビット線BL00,BL01のうちの1つを選択する。例えば、RA1が“0”のときは、書き込みビット線BL00が選択され、RA1が“1”のときは、書き込みビット線BL01が選択される。
【0644】
また、選択されたカラム内の選択された書き込みビット線に流す書き込み電流の向きは、書き込みデータDATA及びRA0の値に応じて決定される。
【0645】
ここで、RA0の値とは、書き込みビット線BL00,BL01の下部のTMR素子MTJ1,MTJ3を選択するか、又は、書き込みビット線BL00,BL01の上部のTMR素子MTJ2,MTJ4を選択するかを決定する信号である。
【0646】
・ BL00が選択されているとき
例えば、書き込みビット線BL00が選択されているとき(RA1=“0”のとき)、RA0=0であると、書き込みビット線BL00の下部のTMR素子MTJ1が選択される。
【0647】
この時、書き込みデータDATAが“1”であると、エクスクルーシブオア回路Ex−OR1〜Ex−OR4の出力信号は、全て、“1”となる。また、NORゲート回路NR16,NR17の出力信号は、共に、“0”となる。
【0648】
従って、NANDゲート回路ND4の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD3の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL00には、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0649】
また、書き込みデータDATAが“0”であると、エクスクルーシブオア回路Ex−OR1〜Ex−OR4の出力信号は、全て、“0”となる。また、NORゲート回路NR16,NR17の出力信号は、共に、“1”となる。
【0650】
従って、NANDゲート回路ND6の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD1の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL00には、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0651】
また、例えば、書き込みビット線BL00が選択されているとき(RA1=“0”のとき)、RA0=1であると、書き込みビット線BL00の上部のTMR素子MTJ2が選択される。
【0652】
この時、書き込みデータDATAが“1”であると、エクスクルーシブオア回路Ex−OR1〜Ex−OR4の出力信号は、全て、“0”となる。また、NORゲート回路NR16,NR17の出力信号は、共に、“1”となる。
【0653】
従って、NANDゲート回路ND6の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD1の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL00には、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0654】
また、書き込みデータDATAが“0”であると、エクスクルーシブオア回路Ex−OR1〜Ex−OR4の出力信号は、全て、“1”となる。また、NORゲート回路NR16,NR17の出力信号は、共に、“0”となる。
【0655】
従って、NANDゲート回路ND4の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD3の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL00には、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0656】
・ BL01が選択されているとき
例えば、書き込みビット線BL01が選択されているとき(RA1=“1”のとき)、RA0=0であると、書き込みビット線BL01の下部のTMR素子MTJ3が選択される。
【0657】
この時、書き込みデータDATAが“1”であると、エクスクルーシブオア回路Ex−OR5,Ex−OR6の出力信号は、共に、“1”となる。また、エクスクルーシブノア回路Ex−NR1,Ex−NR2の出力信号は、共に、“0”となる。
【0658】
従って、NANDゲート回路ND5の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD4の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL01には、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0659】
また、書き込みデータDATAが“0”であると、エクスクルーシブオア回路Ex−OR5,Ex−OR6の出力信号は、共に、“0”となる。また、エクスクルーシブノア回路Ex−NR1,Ex−NR2の出力信号は、共に、“1”となる。
【0660】
従って、NANDゲート回路ND7の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD2の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL01には、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0661】
また、例えば、書き込みビット線BL01が選択されているとき(RA1=“1”のとき)、RA0=1であると、書き込みビット線BL01の上部のTMR素子MTJ4が選択される。
【0662】
この時、書き込みデータDATAが“1”であると、エクスクルーシブオア回路Ex−OR5,Ex−OR6の出力信号は、共に、“0”となる。また、エクスクルーシブノア回路Ex−NR1,Ex−NR2の出力信号は、共に、“1”となる。
【0663】
従って、NANDゲート回路ND7の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD2の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL01には、書き込みビット線ドライバ/シンカー31から書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aへ向う書き込み電流が流れる。
【0664】
また、書き込みデータDATAが“0”であると、エクスクルーシブオア回路Ex−OR5,Ex−OR6の出力信号は、共に、“1”となる。また、エクスクルーシブノア回路Ex−NR1,Ex−NR2の出力信号は、共に、“0”となる。
【0665】
従って、NANDゲート回路ND5の出力信号が“0”となり、ANDゲート回路AD4の出力信号が“1”となる。その結果、書き込みビット線BL01には、書き込みビット線ドライバ/シンカー29Aから書き込みビット線ドライバ/シンカー31へ向う書き込み電流が流れる。
【0666】
8. 製造方法
本発明の磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造、読み出し動作原理、TMR素子の構造、読み出し回路を含む周辺回路、及び、書き込み線に対するピン層と記憶層の位置関係については、上述した通りである。
【0667】
そこで、最後に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリを実現するための製造方法について説明する。
【0668】
(1) 製造方法1
この製造方法1は、複数のTMR素子が複数段に積み重ねられ、かつ、これら複数のTMR素子が読み出しビット線と接地端子の間に直列接続されたセルアレイ構造(1スイッチ−nMTJ構造)を有する磁気ランダムアクセスメモリに適用される。
【0669】
まず、本発明の製造方法により完成されるセルアレイ構造について簡単に説明する。その後、そのセルアレイ構造の製造方法について説明する。
【0670】
▲1▼ 製造方法1に関するセルアレイ構造
図81は、1ブロックが直列接続された複数のTMR素子から構成される磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造の一例を示している。
このセルアレイ構造の特徴は、1カラム(Y方向)内に、1本の読み出しビット線が配置され、その直下に、直列接続された複数のTMR素子が配置される点にある。複数のTMR素子は、1つの読み出しブロックを構成しており、読み出しビット線と接地端子との間に接続される。
【0671】
半導体基板の表面領域には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが配置される。読み出し選択スイッチRSWのソースは、ソース線SLを経由して接地端子に接続される。ソース線SLは、カラム方向に隣接する2つの読み出しブロックで共有される。ソース線SLは、例えば、X方向(紙面に垂直な方向)に一直線に延びている。
【0672】
読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのゲートは、読み出しワード線RWLnとなっている。読み出しワード線RWLnは、X方向に延びている。読み出し選択スイッチRSW上には、それぞれ、4個のTMR素子(MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子)が積み重ねられている。
【0673】
TMR素子の各々は、下部電極と上部電極の間に配置され、かつ、コンタクトプラグにより、互いに直列に接続される。最も下段のTMR素子の下部電極は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのドレインに接続される。最も上段のTMR素子の上部電極は、コンタクトプラグにより、Y方向に延びる読み出しビット線BL0に接続される。
【0674】
1ロウ内には、X方向に延びる3本の書き込みワード線WWL0,WWL1,WWL2が存在し、1カラム内には、Y方向に延びる2本の書き込みビット線BL00,BL01が存在する。
【0675】
半導体基板の上部からセルアレイ構造を見た場合に、例えば、積み重ねられた複数のTMR素子は、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。また、3本の書き込みワード線についても、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。さらに、読み出しビット線及び2本の書き込みビット線についても、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。
【0676】
複数のTMR素子を直列接続するためのコンタクトプラグは、書き込みワード線や書き込みビット線とオーバーラップしないような位置にレイアウトされる。TMR素子の上部電極及び下部電極は、コンタクトプラグとコンタクトし易いようなパターンで形成される。
【0677】
▲2▼ 製造方法1の各ステップ
以下、図81のセルアレイ構造を実現するための製造方法について説明する。ここでは、具体化された製造方法(例えば、デュアルダマシンプロセスの採用など)を説明するので、図81のセルアレイ構造にない要素についても説明されることに留意する。但し、最終的に完成するセルアレイ構造の概略は、図81のセルアレイ構造とほぼ同じとなる。
【0678】
・ 素子分離ステップ
まず、図82に示すように、半導体基板51内に、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離絶縁層52を形成する。
【0679】
素子分離絶縁層52は、例えば、以下のようなプロセスにより形成できる。
【0680】
PEP(Photo Engraving Process)により、半導体基板51上にマスクパターン(窒化シリコンなど)を形成する。このマスクパターンをマスクにして、RIE(Reactive Ion Etching)を用いて半導体基板51をエッチングし、半導体基板51にトレンチを形成する。例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法及びCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、このトレンチ内に絶縁層(酸化シリコンなど)を満たす。
【0681】
この後、必要ならば、例えば、イオン注入法により、半導体基板内に、P型不純物(B、BFなど)又はN型不純物(P,Asなど)を注入し、P型ウェル領域又はN型ウェル領域を形成する。
【0682】
・ MOSFETの形成ステップ
次に、図83に示すように、半導体基板51の表面領域に、読み出し選択スイッチとして機能するMOSトランジスタを形成する。
【0683】
MOSトランジスタは、例えば、以下のようなプロセスにより形成できる。
【0684】
素子分離絶縁層52に取り囲まれた素子領域内のチャネル部に、MOSトランジスタの閾値を制御するための不純物をイオン注入する。熱酸化法により、素子領域内にゲート絶縁膜(酸化シリコンなど)53を形成する。CVD法により、ゲート絶縁膜53上に、ゲート電極材料(不純物を含むポリシリコンなど)及びキャップ絶縁膜(窒化シリコンなど)55を形成する。
【0685】
PEPにより、キャップ絶縁膜55をパターニングした後、このキャップ絶縁膜55をマスクにして、RIEにより、ゲート電極材料及びゲート絶縁膜53を加工(エッチング)する。その結果、半導体基板51上に、X方向に延びるゲート電極54が形成される。
【0686】
キャップ絶縁膜55及びゲート電極54をマスクにして、イオン注入法を用いて、半導体基板51内に、P型不純物又はN型不純物を注入する。そして、半導体基板内に、低濃度の不純物領域(LDD領域又はエクステンション領域)を形成する。
【0687】
CVD法により、半導体基板51上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングし、ゲート電極54及びキャップ絶縁膜55の側壁に、サイドウォール絶縁層57を形成する。キャップ絶縁膜55、ゲート電極54及びサイドウォール絶縁層57をマスクにして、イオン注入法を用いて、半導体基板51内に、P型不純物又はN型不純物を注入する。その結果、半導体基板51内には、ソース領域56A及びドレイン領域56Bが形成される
この後、CVD法により、半導体基板51上の全体に、MOSトランジスタを完全に覆う層間絶縁膜(例えば、酸化シリコンなど)58を形成する。また、CMP技術を利用することによって、層間絶縁膜58の表面を平坦化する。
【0688】
・ コンタクトホールの形成ステップ
次に、図84及び図85に示すように、半導体基板51上の層間絶縁膜58に、MOSトランジスタのソース領域56A及びドレイン領域56Bに到達するコンタクトホール59を形成する。
【0689】
コンタクトホール59は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜58上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜58をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0690】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図86に示すように、半導体基板51上の層間絶縁膜58に、配線溝60を形成する。本例では、配線溝60は、X方向に延びているため、Y方向に沿う断面で見た場合には、配線溝60は、コンタクトホール59にオーバーラップしている。そこで、同図では、配線溝60を破線で示している。
【0691】
配線溝60は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜58上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜58をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0692】
・ 第1配線層の形成ステップ
次に、図87に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜58上、コンタクトホール59の内面上及び配線溝60の内面上に、それぞれ、バリアメタル層(TiとTiNの積層など)61を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層61上に、コンタクトホール59及び配線溝60を完全に満たす金属層(Wなど)62を形成する。
【0693】
この後、図88に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層62を研磨し、金属層62を、コンタクトホール59内及び配線溝60内のみに残す。コンタクトホール59内に残存した金属層62は、コンタクトプラグとなり、配線溝60内に残存した金属層62は、第1配線層となる。また、CVD法により、層間絶縁膜58上に、層間絶縁膜(酸化シリコンなど)63を形成する。
【0694】
なお、コンタクトホールの形成ステップ、配線溝の形成ステップ及び第1配線層の形成ステップからなるステップは、デュアルダマシンプロセスと呼ばれる。
【0695】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図89に示すように、層間絶縁膜63に、配線溝64を形成する。本例では、配線溝64は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝64の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)65が形成される。
【0696】
配線溝64は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜63上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜63をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0697】
サイドウォール絶縁層65は、CVD法により、層間絶縁膜63上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0698】
・ 第2配線層の形成ステップ
次に、図90に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜63上、配線溝64の内面上及びサイドウォール絶縁層65上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)66を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層66上に、配線溝64を完全に満たす金属層(Cuなど)67を形成する。
【0699】
この後、図91に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層67を研磨し、金属層67を、配線溝64内のみに残す。配線溝64内に残存した金属層67は、書き込みワード線として機能する第2配線層となる。
【0700】
また、CVD法により、層間絶縁膜63上に絶縁層(窒化シリコンなど)68を形成する。また、CMP法により、この絶縁層68を研磨し、この絶縁層68を、第2配線層としての金属層67上のみに残存させる。また、層間絶縁膜63上に、第2配線層としての金属層67を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)69を形成する。
【0701】
なお、配線溝の形成ステップ及び第2配線層の形成ステップからなるステップは、ダマシンプロセスと呼ばれる。
【0702】
・ 第1MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図92及び図93に示すように、層間絶縁膜69に、第1配線層としての金属層62に到達するコンタクトホールを形成する。
【0703】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜69上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜63,69をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0704】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)70を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層70上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)71を形成する。
【0705】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層71を研磨し、金属層71を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層71は、コンタクトプラグとなる。また、CVD法により、層間絶縁膜69上に、第1MTJ素子の下部電極となる金属層(Taなど)72を形成する。
【0706】
・ 第1MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図94に示すように、金属層72上に、第1MTJ素子73を形成する。第1MTJ素子73は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図45に示すような構造を有している。
【0707】
CVD法を用いて、第1MTJ素子73を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)75Aを形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜75Aを研磨し、層間絶縁膜75Aを、第1MTJ素子73の間のみに残存させる。
【0708】
また、スパッタ法により、層間絶縁膜75A上に、第1MTJ素子73の上部電極となる金属層(Taなど)74を形成する。
【0709】
・ 第1MTJ素子の下部/上部電極のパターニングステップ
次に、図95及び図96に示すように、第1MTJ素子73の下部電極72及び上部電極74をそれぞれパターニングする。
【0710】
第1MTJ素子73の下部/上部電極72,74のパターニングは、PEPにより、上部電極74上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部/上部電極72,74をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0711】
CVD法を用いて、第1MTJ素子73の上部電極74を完全に覆う層間絶縁膜75を形成する。
【0712】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図97に示すように、層間絶縁膜75に、配線溝75Aを形成する。本例では、配線溝75Aは、書き込みビット線を形成するための溝となっており、Y方向に延びている。配線溝75Aの側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)が形成される。
【0713】
配線溝75Aは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜75上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0714】
サイドウォール絶縁層は、CVD法により、層間絶縁膜75上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0715】
・ 第3配線層の形成ステップ
次に、図98に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜75上、配線溝75Aの内面上及びサイドウォール絶縁層上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)76を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層76上に、配線溝75Aを完全に満たす金属層(Cuなど)77を形成する。
【0716】
この後、図99に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層77を研磨し、金属層77を、配線溝75A内のみに残す。配線溝75A内に残存した金属層77は、書き込みビット線として機能する第3配線層となる。
【0717】
また、CVD法により、層間絶縁膜75上に絶縁層(窒化シリコンなど)78を形成する。また、CMP法により、この絶縁層78を研磨し、この絶縁層78を、第3配線層としての金属層77上のみに残存させる。また、層間絶縁膜75上に、第3配線層としての金属層77を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)79を形成する。
【0718】
・ 第2MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図100及び図101に示すように、層間絶縁膜75,79に、第1MTJ素子の上部電極74に到達するコンタクトホールを形成する。
【0719】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜79上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75,79をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0720】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)80を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層80上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)81を形成する。
【0721】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層81を研磨し、金属層81を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層81は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜79上に、第2MTJ素子の下部電極となる金属層(Taなど)82を形成する。
【0722】
・ 第2MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図102に示すように、金属層82上に、第2MTJ素子84を形成する。第2MTJ素子84は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図46に示すような構造を有している。
【0723】
CVD法を用いて、第2MTJ素子84を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)83を形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜83を研磨し、層間絶縁膜83を、第2MTJ素子84の間のみに残存させる。
【0724】
また、スパッタ法により、層間絶縁膜83上に、第2MTJ素子84の上部電極となる金属層(Taなど)85を形成する。
【0725】
・ 第2MTJ素子の下部/上部電極のパターニングステップ
次に、図103及び図104に示すように、第2MTJ素子84の下部電極82及び上部電極85をそれぞれパターニングする。
【0726】
第2MTJ素子84の下部/上部電極82,85のパターニングは、PEPにより、上部電極85上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部/上部電極82,85をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0727】
CVD法を用いて、第2MTJ素子84の上部電極85を完全に覆う層間絶縁膜86を形成する。
【0728】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図105に示すように、層間絶縁膜86に、配線溝87を形成する。本例では、配線溝87は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝87の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)88が形成される。
【0729】
配線溝87は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜86上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0730】
サイドウォール絶縁層88は、CVD法により、層間絶縁膜86上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0731】
・ 第4配線層の形成ステップ
次に、図106に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜86上、配線溝87の内面上及びサイドウォール絶縁層88上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)89を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層89上に、配線溝87を完全に満たす金属層(Cuなど)91を形成する。
【0732】
この後、図107に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層91を研磨し、金属層91を、配線溝87内のみに残す。配線溝87内に残存した金属層91は、書き込みワード線として機能する第4配線層となる。
【0733】
また、CVD法により、層間絶縁膜86上に絶縁層(窒化シリコンなど)92を形成する。また、CMP法により、この絶縁層92を研磨し、この絶縁層92を、第4配線層としての金属層91上のみに残存させる。また、層間絶縁膜86上に、第4配線層としての金属層91を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)93を形成する。
【0734】
・ 第3MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図108及び図109に示すように、層間絶縁膜86,93に、第2MTJ素子の上部電極85に到達するコンタクトホールを形成する。
【0735】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜93上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86,93をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0736】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)94を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層94上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)95を形成する。
【0737】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層95を研磨し、金属層95を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層95は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜93上に、第3MTJ素子の下部電極となる金属層(Taなど)96を形成する。
【0738】
・ 第3MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図110に示すように、金属層96上に、第3MTJ素子97を形成する。第3MTJ素子97は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図47に示すような構造を有している。
【0739】
CVD法を用いて、第3MTJ素子97を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)98を形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜98を研磨し、層間絶縁膜98を、第3MTJ素子97の間のみに残存させる。
【0740】
また、スパッタ法により、層間絶縁膜98上に、第3MTJ素子97の上部電極となる金属層(Taなど)99を形成する。
【0741】
・ 第3MTJ素子の下部/上部電極のパターニングステップ
次に、図111及び図112に示すように、第3MTJ素子97の下部電極96及び上部電極99をそれぞれパターニングする。
【0742】
第3MTJ素子97の下部/上部電極96,99のパターニングは、PEPにより、上部電極99上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部/上部電極96,99をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0743】
CVD法を用いて、第3MTJ素子97の上部電極99を完全に覆う層間絶縁膜100を形成する。
【0744】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図113に示すように、層間絶縁膜100に、配線溝100Aを形成する。本例では、配線溝100Aは、書き込みビット線を形成するための溝となっており、Y方向に延びている。配線溝100Aの側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)が形成される。
【0745】
配線溝100Aは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜100上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0746】
サイドウォール絶縁層は、CVD法により、層間絶縁膜100上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0747】
・ 第5配線層の形成ステップ
次に、図114に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜100上、配線溝100Aの内面上及びサイドウォール絶縁層上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)101を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層101上に、配線溝100Aを完全に満たす金属層(Cuなど)102を形成する。
【0748】
この後、図115に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層102を研磨し、金属層102を、配線溝100A内のみに残す。配線溝100A内に残存した金属層102は、書き込みビット線として機能する第5配線層となる。
【0749】
また、CVD法により、層間絶縁膜100上に絶縁層(窒化シリコンなど)103を形成する。また、CMP法により、この絶縁層103を研磨し、この絶縁層103を、第5配線層としての金属層102上のみに残存させる。また、層間絶縁膜100上に、第5配線層としての金属層102を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)104を形成する。
【0750】
・ 第4MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図116及び図117に示すように、層間絶縁膜100,104に、第3MTJ素子の上部電極99に到達するコンタクトホールを形成する。
【0751】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜104上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100,104をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0752】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)105を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層105上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)106を形成する。
【0753】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層106を研磨し、金属層106を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層106は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜104上に、第4MTJ素子の下部電極となる金属層(Taなど)107を形成する。
【0754】
・ 第4MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図118に示すように、金属層107上に、第4MTJ素子108を形成する。第4MTJ素子108は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図48に示すような構造を有している。
【0755】
CVD法を用いて、第4MTJ素子108を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)109を形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜109を研磨し、層間絶縁膜109を、第4MTJ素子108の間のみに残存させる。
【0756】
また、スパッタ法により、層間絶縁膜109上に、第4MTJ素子108の上部電極となる金属層(Taなど)110を形成する。
【0757】
・ 第4MTJ素子の下部/上部電極のパターニングステップ
次に、図119及び図120に示すように、第4MTJ素子108の下部電極107及び上部電極110をそれぞれパターニングする。
【0758】
第4MTJ素子108の下部/上部電極107,110のパターニングは、PEPにより、上部電極110上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部/上部電極107,110をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0759】
CVD法を用いて、第4MTJ素子108の上部電極110を完全に覆う層間絶縁膜111を形成する。
【0760】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図121に示すように、層間絶縁膜111に、配線溝112を形成する。本例では、配線溝112は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝112の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)113が形成される。
【0761】
配線溝112は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜111上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜111をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0762】
サイドウォール絶縁層113は、CVD法により、層間絶縁膜111上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0763】
・ 第6配線層の形成ステップ
次に、図122に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜111上、配線溝112の内面上及びサイドウォール絶縁層113上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)114を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層114上に、配線溝112を完全に満たす金属層(Cuなど)115を形成する。
【0764】
この後、図123及び図124に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層115を研磨し、金属層115を、配線溝112内のみに残す。配線溝112内に残存した金属層115は、書き込みワード線として機能する第6配線層となる。
【0765】
また、CVD法により、層間絶縁膜111上に絶縁層(窒化シリコンなど)116を形成する。また、CMP法により、この絶縁層116を研磨し、この絶縁層116を、第6配線層としての金属層115上のみに残存させる。また、層間絶縁膜111上に、第6配線層としての金属層115を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)117を形成する。
【0766】
・ 第7配線層の形成ステップ
次に、図125及び図126に示すように、層間絶縁膜111,117に、第4MTJ素子の上部電極110に到達するコンタクトホールを形成する。
【0767】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜117上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜111,117をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0768】
また、層間絶縁膜117に、読み出しビット線を形成するための配線溝を形成する。
【0769】
この配線溝は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜117上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜117をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0770】
この後、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜117上、コンタクトホールの内面上及び配線溝の内面上に、それぞれ、バリアメタル層(TiとTiNの積層など)118を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層118上に、コンタクトホール及び配線溝を完全に満たす金属層(Wなど)119を形成する。
【0771】
また、例えば、CMP法により、金属層119及びバリアメタル層117を研磨し、これら金属層119及びバリアメタル層117を、コンタクトホール内及び配線溝内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層119は、コンタクトプラグとなる。また、配線溝内に残存した金属層119は、読み出しビット線として機能する第7配線層となる。
【0772】
▲3▼ まとめ
この製造方法1によれば、複数のTMR素子が複数段に積み重ねられ、かつ、これら複数のTMR素子が読み出しビット線と接地端子の間に直列接続されたセルアレイ構造(1スイッチ−nMTJ構造)を実現することができる。
【0773】
なお、本例では、配線層を形成するに当たって、ダマシンプロセス及びデュアルダマシンプロセスを採用したが、これに代えて、例えば、配線層の加工をエッチングにより行うプロセスを採用してもよい。
【0774】
(2) 製造方法2
この製造方法2は、複数のTMR素子が複数段に積み重ねられ、かつ、これら複数のTMR素子が読み出しビット線と接地端子の間に並列接続されたセルアレイ構造(1スイッチ−nMTJ構造)を有する磁気ランダムアクセスメモリに適用される。
【0775】
まず、本発明の製造方法により完成されるセルアレイ構造について簡単に説明する。その後、そのセルアレイ構造の製造方法について説明する。
【0776】
▲1▼ 製造方法2に関するセルアレイ構造
図127は、1ブロックが並列接続された複数のTMR素子から構成される磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造の一例を示している。
このセルアレイ構造の特徴は、1カラム(Y方向)内に、1本の読み出しビット線が配置され、その直下に、並列接続された複数のTMR素子が配置される点にある。複数のTMR素子は、1つの読み出しブロックを構成しており、読み出しビット線と接地端子との間に接続される。
【0777】
半導体基板の表面領域には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが配置される。読み出し選択スイッチRSWのソースは、ソース線SLを経由して接地端子に接続される。ソース線SLは、カラム方向に隣接する2つの読み出しブロックで共有される。ソース線SLは、例えば、X方向(紙面に垂直な方向)に一直線に延びている。
【0778】
読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのゲートは、読み出しワード線RWLnとなっている。読み出しワード線RWLnは、X方向に延びている。読み出し選択スイッチRSW上には、それぞれ、4個のTMR素子(MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子)が積み重ねられている。
【0779】
TMR素子の各々は、下部電極と上部電極の間に配置され、かつ、コンタクトプラグにより、互いに並列に接続される。最も下段のTMR素子の下部電極は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのドレインに接続される。最も上段のTMR素子の上部電極は、コンタクトプラグにより、Y方向に延びる読み出しビット線BL0に接続される。
【0780】
1ロウ内には、X方向に延びる3本の書き込みワード線WWL0,WWL1,WWL2が存在し、1カラム内には、Y方向に延びる2本の書き込みビット線BL00,BL01が存在する。
【0781】
半導体基板の上部からセルアレイ構造を見た場合に、例えば、積み重ねられた複数のTMR素子は、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。また、3本の書き込みワード線についても、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。さらに、読み出しビット線及び2本の書き込みビット線についても、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。
【0782】
複数のTMR素子を直列接続するためのコンタクトプラグは、書き込みワード線や書き込みビット線とオーバーラップしないような位置にレイアウトされる。TMR素子の上部電極及び下部電極は、コンタクトプラグとコンタクトし易いようなパターンで形成される。
【0783】
▲2▼ 製造方法2の各ステップ
以下、図127のセルアレイ構造を実現するための製造方法について説明する。ここでは、具体化された製造方法(例えば、デュアルダマシンプロセスの採用など)を説明するので、図127のセルアレイ構造にない要素についても説明されることに留意する。但し、最終的に完成するセルアレイ構造の概略は、図127のセルアレイ構造とほぼ同じとなる。
【0784】
・ 素子分離ステップ
まず、図128に示すように、半導体基板51内に、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離絶縁層52を形成する。
【0785】
素子分離絶縁層52は、例えば、以下のようなプロセスにより形成できる。
【0786】
PEP(Photo Engraving Process)により、半導体基板51上にマスクパターン(窒化シリコンなど)を形成する。このマスクパターンをマスクにして、RIE(Reactive Ion Etching)を用いて半導体基板51をエッチングし、半導体基板51にトレンチを形成する。例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法及びCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、このトレンチ内に絶縁層(酸化シリコンなど)を満たす。
【0787】
この後、必要ならば、例えば、イオン注入法により、半導体基板内に、P型不純物(B、BFなど)又はN型不純物(P,Asなど)を注入し、P型ウェル領域又はN型ウェル領域を形成する。
【0788】
・ MOSFETの形成ステップ
次に、図129に示すように、半導体基板51の表面領域に、読み出し選択スイッチとして機能するMOSトランジスタを形成する。
【0789】
MOSトランジスタは、例えば、以下のようなプロセスにより形成できる。
【0790】
素子分離絶縁層52に取り囲まれた素子領域内のチャネル部に、MOSトランジスタの閾値を制御するための不純物をイオン注入する。熱酸化法により、素子領域内にゲート絶縁膜(酸化シリコンなど)53を形成する。CVD法により、ゲート絶縁膜53上に、ゲート電極材料(不純物を含むポリシリコンなど)及びキャップ絶縁膜(窒化シリコンなど)55を形成する。
【0791】
PEPにより、キャップ絶縁膜55をパターニングした後、このキャップ絶縁膜55をマスクにして、RIEにより、ゲート電極材料及びゲート絶縁膜53を加工(エッチング)する。その結果、半導体基板51上に、X方向に延びるゲート電極54が形成される。
【0792】
キャップ絶縁膜55及びゲート電極54をマスクにして、イオン注入法を用いて、半導体基板51内に、P型不純物又はN型不純物を注入する。そして、半導体基板内に、低濃度の不純物領域(LDD領域又はエクステンション領域)を形成する。
【0793】
CVD法により、半導体基板51上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングし、ゲート電極54及びキャップ絶縁膜55の側壁に、サイドウォール絶縁層57を形成する。キャップ絶縁膜55、ゲート電極54及びサイドウォール絶縁層57をマスクにして、イオン注入法を用いて、半導体基板51内に、P型不純物又はN型不純物を注入する。その結果、半導体基板51内には、ソース領域56A及びドレイン領域56Bが形成される
この後、CVD法により、半導体基板51上の全体に、MOSトランジスタを完全に覆う層間絶縁膜(例えば、酸化シリコンなど)58を形成する。また、CMP技術を利用することによって、層間絶縁膜58の表面を平坦化する。
【0794】
・ コンタクトホールの形成ステップ
次に、図130及び図131に示すように、半導体基板51上の層間絶縁膜58に、MOSトランジスタのソース領域56A及びドレイン領域56Bに到達するコンタクトホール59を形成する。
【0795】
コンタクトホール59は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜58上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜58をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0796】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図132に示すように、半導体基板51上の層間絶縁膜58に、配線溝60を形成する。本例では、配線溝60は、X方向に延びているため、Y方向に沿う断面で見た場合には、配線溝60は、コンタクトホール59にオーバーラップしている。そこで、同図では、配線溝60を破線で示している。
【0797】
配線溝60は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜58上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜58をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0798】
・ 第1配線層の形成ステップ
次に、図133に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜58上、コンタクトホール59の内面上及び配線溝60の内面上に、それぞれ、バリアメタル層(TiとTiNの積層など)61を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層61上に、コンタクトホール59及び配線溝60を完全に満たす金属層(Wなど)62を形成する。
【0799】
この後、図134に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層62を研磨し、金属層62を、コンタクトホール59内及び配線溝60内のみに残す。コンタクトホール59内に残存した金属層62は、コンタクトプラグとなり、配線溝60内に残存した金属層62は、第1配線層となる。また、CVD法により、層間絶縁膜58上に、層間絶縁膜(酸化シリコンなど)63を形成する。
【0800】
なお、コンタクトホールの形成ステップ、配線溝の形成ステップ及び第1配線層の形成ステップからなるステップは、デュアルダマシンプロセスと呼ばれる。
【0801】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図135に示すように、層間絶縁膜63に、配線溝64を形成する。本例では、配線溝64は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝64の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)65が形成される。
【0802】
配線溝64は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜63上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜63をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0803】
サイドウォール絶縁層65は、CVD法により、層間絶縁膜63上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0804】
・ 第2配線層の形成ステップ
次に、図136に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜63上、配線溝64の内面上及びサイドウォール絶縁層65上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)66を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層66上に、配線溝64を完全に満たす金属層(Cuなど)67を形成する。
【0805】
この後、図137に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層67を研磨し、金属層67を、配線溝64内のみに残す。配線溝64内に残存した金属層67は、書き込みワード線として機能する第2配線層となる。
【0806】
また、CVD法により、層間絶縁膜63上に絶縁層(窒化シリコンなど)68を形成する。また、CMP法により、この絶縁層68を研磨し、この絶縁層68を、第2配線層としての金属層67上のみに残存させる。また、層間絶縁膜63上に、第2配線層としての金属層67を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)69を形成する。
【0807】
なお、配線溝の形成ステップ及び第2配線層の形成ステップからなるステップは、ダマシンプロセスと呼ばれる。
【0808】
・ 第1MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図138及び図139に示すように、層間絶縁膜69に、第1配線層としての金属層62に到達するコンタクトホールを形成する。
【0809】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜69上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜63,69をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0810】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)70を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層70上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)71を形成する。
【0811】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層71を研磨し、金属層71を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層71は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜69上に、第1MTJ素子の下部電極となる金属層72を形成する。
【0812】
・ 第1MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図140及び図141に示すように、金属層72上に、第1MTJ素子73を形成する。第1MTJ素子73は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図45に示すような構造を有している。
【0813】
また、本例では、第1MTJ素子73の側面に、第1MTJ素子73を保護する保護絶縁層(酸化シリコンなど)73Aを形成する。この保護絶縁層73Aは、CVD法とRIE法を用いれば、第1MTJ素子73の側面に、容易に形成することができる。
【0814】
CVD法を用いて、第1MTJ素子73を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)75Bを形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜75Bを研磨し、層間絶縁膜75Bを、第1MTJ素子73の間のみに残存させる。
【0815】
また、図142に示すように、スパッタ法により、層間絶縁膜75B上に、第1MTJ素子73の上部電極となる金属層74を形成する。続けて、CVD法により、金属層74上に、第1MTJ素子73を保護するアルミナ層74Aを形成する。
【0816】
この後、PEPにより、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、アルミナ層74A、金属層74及び層間絶縁膜75Bをパターニングする。この時、同時に、第1MTJ素子73の下部電極としての金属層72の表面を露出させる。
【0817】
再び、アルミナ層74Aを形成した後、RIEにより、アルミナ層74Aをエッチングすると、このアルミナ層74Aは、上部電極としての金属層74及び第1MTJ素子73の上部及び側壁部を覆った形で残存する。
【0818】
この後、CVD法を用いて、第1MTJ素子73を完全に覆う層間絶縁膜75を形成する。
【0819】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図143に示すように、例えば、レジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75に、配線溝75Aを形成する。この時、アルミナ層74Aは、エッチングストッパとして機能するため、配線溝75Aの底部が金属層74及び第1MTJ素子73に到達することはない。
【0820】
本例では、配線溝75Aは、書き込みビット線を形成するための溝となっており、Y方向に延びている。配線溝75Aの側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)が形成される。
【0821】
配線溝75Aは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜75上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0822】
サイドウォール絶縁層は、CVD法により、層間絶縁膜75上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0823】
・ 第3配線層の形成ステップ
次に、図144に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜75上、配線溝75Aの内面上及びサイドウォール絶縁層上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)76を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層76上に、配線溝75Aを完全に満たす金属層(Cuなど)77を形成する。
【0824】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層77を研磨し、金属層77を、配線溝75A内のみに残す。配線溝75A内に残存した金属層77は、書き込みビット線として機能する第3配線層となる。
【0825】
また、CVD法により、層間絶縁膜75上に絶縁層(窒化シリコンなど)78を形成する。また、CMP法により、この絶縁層78を研磨し、この絶縁層78を、第3配線層としての金属層77上のみに残存させる。また、層間絶縁膜75上に、第3配線層としての金属層77を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)79を形成する。
【0826】
・ 第2MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図145及び図146に示すように、層間絶縁膜75,79及びアルミナ層74Aに、第1MTJ素子の上部電極74に到達するコンタクトホールを形成する。
【0827】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜79上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75,79及びアルミナ層74Aをエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0828】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)80を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層80上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)81を形成する。
【0829】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層81を研磨し、金属層81を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層81は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜79上に、第2MTJ素子の下部電極となる金属層82を形成する。
【0830】
・ 第2MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図147及び図148に示すように、金属層82上に、第2MTJ素子84を形成する。第2MTJ素子84は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図46に示すような構造を有している。
【0831】
また、本例では、第2MTJ素子84の側面に、第2MTJ素子84を保護する保護絶縁層(酸化シリコンなど)83Aを形成する。この保護絶縁層83Aは、CVD法とRIE法を用いれば、第2MTJ素子84の側面に、容易に形成することができる。
【0832】
この後、第2MTJ素子84の下部電極82をパターニングする。第2MTJ素子84の下部電極82のパターニングは、PEPにより、下部電極82上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部電極82をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0833】
次に、図149に示すように、CVD法により、第2MTJ素子84上に、第2MTJ素子84を保護するアルミナ層83Bを形成する。この後、RIEにより、アルミナ層83Bは、エッチングされ、その結果、第2MTJ素子84の側壁部にアルミナ層83Bが残存する。
【0834】
CVD法を用いて、第2MTJ素子84を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)84Bを形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜84Bを研磨し、層間絶縁膜84Bを、第2MTJ素子84の間のみに残存させる。
【0835】
また、層間絶縁膜75,79,84Bに、第1MTJ素子の下部電極72に到達するコンタクトホールを形成する。
【0836】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜84B上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75,79,84Bをエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0837】
なお、このエッチングステップにおいて、アルミナ層74A,83Bのエッチングレートは、層間絶縁膜75,79,84Bのエッチングレートよりも十分に小さくなるように設定されている。
【0838】
即ち、本例によれば、コンタクトホールの合せずれが生じても、アルミナ層74A,83Bが第1及び第2MTJ素子73,84を保護しているため、第1及び第2MTJ素子73,84がエッチングされるという事態が生じることがない。
【0839】
次に、図150に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)85Aを形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層85A上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)85Bを形成する。
【0840】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層85Bを研磨し、金属層85Bを、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層85Bは、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜84B上に、第2MTJ素子84の上部電極となる金属層85を形成する。続けて、CVD法により、金属層85上に、第2MTJ素子84を保護するアルミナ層85Cを形成する。
【0841】
この後、図151に示すように、PEPにより、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、アルミナ層85C及び金属層85をパターニングする。再び、アルミナ層85Cを形成した後、RIEにより、アルミナ層85Cをエッチングすると、このアルミナ層85Cは、上部電極としての金属層85及び第2MTJ素子84の上部及び側壁部を覆った形で残存する。
【0842】
この後、CVD法を用いて、第2MTJ素子85を完全に覆う層間絶縁膜86を形成する。
【0843】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図152に示すように、例えば、レジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86に、配線溝87を形成する。この時、アルミナ層85Cは、エッチングストッパとして機能するため、配線溝87の底部が金属層85及び第2MTJ素子84に到達することはない。
【0844】
本例では、配線溝87は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝87の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)88が形成される。
【0845】
配線溝87は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜86上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0846】
サイドウォール絶縁層88は、CVD法により、層間絶縁膜86上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0847】
・ 第4配線層の形成ステップ
次に、図153に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜86上、配線溝87の内面上及びサイドウォール絶縁層88上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)89を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層89上に、配線溝87を完全に満たす金属層(Cuなど)90を形成する。
【0848】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層90を研磨し、金属層90を、配線溝87内のみに残す。配線溝87内に残存した金属層90は、書き込みワード線として機能する第4配線層となる。
【0849】
また、CVD法により、層間絶縁膜86上に絶縁層(窒化シリコンなど)92を形成する。また、CMP法により、この絶縁層92を研磨し、この絶縁層92を、第4配線層としての金属層90上のみに残存させる。また、層間絶縁膜86上に、第4配線層としての金属層90を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)93を形成する。
【0850】
・ 第3MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図154及び図155に示すように、層間絶縁膜86,93に、第2MTJ素子84の上部電極85に到達するコンタクトホールを形成する。
【0851】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜93上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86,93をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0852】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)94を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層94上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)95を形成する。
【0853】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層95を研磨し、金属層95を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層95は、コンタクトプラグとなる。また、CVD法により、層間絶縁膜93上に、第3MTJ素子の下部電極となる金属層96を形成する。
【0854】
・ 第3MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図156及び図157に示すように、金属層96上に、第3MTJ素子97を形成する。第3MTJ素子97は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図47に示すような構造を有している。
【0855】
また、本例では、第3MTJ素子97の側面に、第3MTJ素子97を保護する保護絶縁層(酸化シリコンなど)97Aを形成する。この保護絶縁層97Aは、CVD法とRIE法を用いれば、第3MTJ素子97の側面に、容易に形成することができる。
【0856】
この後、第3MTJ素子97の下部電極96をパターニングする。第3MTJ素子97の下部電極96のパターニングは、PEPにより、下部電極96上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部電極96をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0857】
次に、図158に示すように、CVD法を用いて、第3MTJ素子97を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)98を形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜98を研磨し、層間絶縁膜98を、第3MTJ素子97の間のみに残存させる。
【0858】
この後、層間絶縁膜86,93,98に、第2MTJ素子84の下部電極82に到達するコンタクトホールを形成する。
【0859】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜98上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86,93,98をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0860】
次に、図159に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)99Aを形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層99A上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)99Bを形成する。
【0861】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層99Bを研磨し、金属層99Bを、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層99Bは、コンタクトプラグとなる。また、CVD法により、層間絶縁膜98上に、第3MTJ素子の上部電極となる金属層99を形成する。
【0862】
また、CVD法により、第3MTJ素子97の上部電極99上に、第3MTJ素子97を保護するアルミナ層99Cを形成する。
【0863】
次に、図160に示すように、PEPにより、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、アルミナ層99C及び金属層99をパターニングする。再び、アルミナ層99Cを形成した後、RIEにより、アルミナ層99Cをエッチングすると、このアルミナ層99Cは、上部電極としての金属層99及び第3MTJ素子97の上部及び側壁部を覆った形で残存する。
【0864】
この後、CVD法を用いて、第3MTJ素子97を完全に覆う層間絶縁膜100を形成する。
【0865】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図161及び図162に示すように、例えば、レジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100に、Y方向に延びる配線溝を形成する。この時、アルミナ層99Cは、エッチングストッパとして機能するため、配線溝の底部が金属層99及び第3MTJ素子97に到達することはない。
【0866】
本例では、配線溝は、書き込みビット線を形成するための溝となっており、Y方向に延びている。配線溝の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)が形成される。
【0867】
配線溝は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜100上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0868】
サイドウォール絶縁層は、CVD法により、層間絶縁膜100上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0869】
・ 第5配線層の形成ステップ
次に、図161及び図162に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜100上、配線溝の内面上及びサイドウォール絶縁層上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)101を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層101上に、配線溝を完全に満たす金属層(Cuなど)102を形成する。
【0870】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層102を研磨し、金属層102を、配線溝内のみに残す。配線溝内に残存した金属層102は、書き込みビット線として機能する第5配線層となる。
【0871】
また、CVD法により、層間絶縁膜100上に絶縁層(窒化シリコンなど)103を形成する。また、CMP法により、この絶縁層103を研磨し、この絶縁層103を、第5配線層としての金属層102上のみに残存させる。また、層間絶縁膜100上に、第5配線層としての金属層102を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)104を形成する。
【0872】
・ 第4MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図163及び図164に示すように、層間絶縁膜100,104及びアルミナ層99Cに、第3MTJ素子97の上部電極99に到達するコンタクトホールを形成する。
【0873】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜104上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100,104及びアルミナ層99Cをエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0874】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)80Xを形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層80X上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)81Xを形成する。
【0875】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層81Xを研磨し、金属層81Xを、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層81Xは、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜104上に、第4MTJ素子の下部電極となる金属層107を形成する。
【0876】
・ 第4MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図163及び図164に示すように、金属層107上に、第4MTJ素子108を形成する。第4MTJ素子108は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図48に示すような構造を有している。
【0877】
また、本例では、第4MTJ素子108の側面に、第4MTJ素子108を保護する保護絶縁層(酸化シリコンなど)108Aを形成する。この保護絶縁層108Aは、CVD法とRIE法を用いれば、第4MTJ素子108の側面に、容易に形成することができる。
【0878】
この後、第4MTJ素子108の下部電極107をパターニングする。第4MTJ素子108の下部電極107のパターニングは、PEPにより、下部電極107上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部電極107をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0879】
次に、図165に示すように、CVD法により、第4MTJ素子108上に、第4MTJ素子108を保護するアルミナ層108Bを形成する。この後、RIEにより、アルミナ層108Bは、エッチングされ、その結果、第4MTJ素子108の側壁部にアルミナ層108Bが残存する。
【0880】
CVD法を用いて、第4MTJ素子108を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)109を形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜109を研磨し、層間絶縁膜109を、第4MTJ素子108の間のみに残存させる。
【0881】
また、層間絶縁膜100,104,109に、第3MTJ素子97の下部電極96に到達するコンタクトホールを形成する。
【0882】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜109上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100,104,109をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0883】
なお、このエッチングステップにおいて、アルミナ層99C,108Bのエッチングレートは、層間絶縁膜100,104,109のエッチングレートよりも十分に小さくなるように設定されている。
【0884】
即ち、本例によれば、コンタクトホールの合せずれが生じても、アルミナ層99C,108Bが第3及び第4MTJ素子97,108を保護しているため、第3及び第4MTJ素子97,108がエッチングされるという事態が生じることがない。
【0885】
次に、図166に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)105を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層105上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)106を形成する。
【0886】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層106を研磨し、金属層106を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層106は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜109上に、第4MTJ素子108の上部電極となる金属層107を形成する。続けて、CVD法により、金属層107上に、第4MTJ素子108を保護するアルミナ層107Aを形成する。
【0887】
次に、図167に示すように、PEPにより、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、アルミナ層107A及び金属層107をパターニングする。
【0888】
再び、アルミナ層107Aを形成した後、RIEにより、アルミナ層107Aをエッチングすると、このアルミナ層107Aは、上部電極としての金属層107及び第4MTJ素子108の上部及び側壁部を覆った形で残存する。
【0889】
この後、CVD法を用いて、第4MTJ素子108を完全に覆う層間絶縁膜111を形成する。
【0890】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図168及び図169に示すように、例えば、レジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜111に、X方向に延びる配線溝112を形成する。この時、アルミナ層107Aは、エッチングストッパとして機能するため、配線溝112の底部が金属層107及び第4MTJ素子108に到達することはない。
【0891】
本例では、配線溝112は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝112の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)113が形成される。
【0892】
配線溝112は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜111上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜111をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0893】
サイドウォール絶縁層113は、CVD法により、層間絶縁膜111上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0894】
・ 第6配線層の形成ステップ
次に、図168及び図169に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜111上、配線溝112の内面上及びサイドウォール絶縁層113上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)114を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層114上に、配線溝112を完全に満たす金属層(Cuなど)115を形成する。
【0895】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層115を研磨し、金属層115を、配線溝112内のみに残す。配線溝112内に残存した金属層115は、書き込みワード線として機能する第6配線層となる。
【0896】
また、CVD法により、層間絶縁膜111上に絶縁層(窒化シリコンなど)116を形成する。また、CMP法により、この絶縁層116を研磨し、この絶縁層116を、第6配線層としての金属層115上のみに残存させる。
【0897】
・ 第7配線層の形成ステップ
次に、図170及び図171に示すように、層間絶縁膜111上に、第6配線層としての金属層115を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)117を形成する。層間絶縁膜111,117に、第4MTJ素子の下部電極107に到達するコンタクトホールを形成する。
【0898】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜117上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜111,117をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0899】
また、層間絶縁膜117に、読み出しビット線を形成するための配線溝を形成する。
【0900】
この配線溝は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜117上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜117をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0901】
この後、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜117上、コンタクトホールの内面上及び配線溝の内面上に、それぞれ、バリアメタル層(TiとTiNの積層など)118を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層118上に、コンタクトホール及び配線溝を完全に満たす金属層(Wなど)119を形成する。
【0902】
また、例えば、CMP法により、金属層119及びバリアメタル層117を研磨し、これら金属層119及びバリアメタル層117を、コンタクトホール内及び配線溝内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層119は、コンタクトプラグとなる。また、配線溝内に残存した金属層119は、読み出しビット線として機能する第7配線層となる。
【0903】
▲3▼ まとめ
この製造方法2によれば、複数のTMR素子が複数段に積み重ねられ、かつ、これら複数のTMR素子が読み出しビット線と接地端子の間に並列接続されたセルアレイ構造(1スイッチ−nMTJ構造)を実現することができる。
【0904】
なお、本例では、配線層を形成するに当たって、ダマシンプロセス及びデュアルダマシンプロセスを採用したが、これに代えて、例えば、配線層の加工をエッチングにより行うプロセスを採用してもよい。
【0905】
(3) 製造方法3
この製造方法3は、複数のTMR素子が複数段に積み重ねられ、かつ、これら複数のTMR素子が読み出しビット線と接地端子の間に直並列接続されたセルアレイ構造(1スイッチ−nMTJ構造)を有する磁気ランダムアクセスメモリに適用される。
【0906】
まず、本発明の製造方法により完成されるセルアレイ構造について簡単に説明する。その後、そのセルアレイ構造の製造方法について説明する。
【0907】
▲1▼ 製造方法3に関するセルアレイ構造
図172は、1ブロックが直並列接続された複数のTMR素子から構成される磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ構造の一例を示している。
このセルアレイ構造の特徴は、1カラム(Y方向)内に、1本の読み出しビット線が配置され、その直下に、直並列接続された複数のTMR素子が配置される点にある。複数のTMR素子は、1つの読み出しブロックを構成しており、読み出しビット線と接地端子との間に接続される。
【0908】
半導体基板の表面領域には、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWが配置される。読み出し選択スイッチRSWのソースは、ソース線SLを経由して接地端子に接続される。ソース線SLは、カラム方向に隣接する2つの読み出しブロックで共有される。ソース線SLは、例えば、X方向(紙面に垂直な方向)に一直線に延びている。
【0909】
読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのゲートは、読み出しワード線RWLnとなっている。読み出しワード線RWLnは、X方向に延びている。読み出し選択スイッチRSW上には、それぞれ、4個のTMR素子(MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子)が積み重ねられている。
【0910】
TMR素子の各々は、下部電極と上部電極の間に配置され、かつ、コンタクトプラグにより、互いに直並列に接続される。最も下段のTMR素子の下部電極は、読み出し選択スイッチ(MOSトランジスタ)RSWのドレインに接続される。最も上段のTMR素子の上部電極は、コンタクトプラグにより、Y方向に延びる読み出しビット線BL0に接続される。
【0911】
1ロウ内には、X方向に延びる3本の書き込みワード線WWL0,WWL1,WWL2が存在し、1カラム内には、Y方向に延びる2本の書き込みビット線BL00,BL01が存在する。
【0912】
半導体基板の上部からセルアレイ構造を見た場合に、例えば、積み重ねられた複数のTMR素子は、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。また、3本の書き込みワード線についても、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。さらに、読み出しビット線及び2本の書き込みビット線についても、互いにオーバーラップするようにレイアウトされる。
【0913】
複数のTMR素子を直列接続するためのコンタクトプラグは、書き込みワード線や書き込みビット線とオーバーラップしないような位置にレイアウトされる。TMR素子の上部電極及び下部電極は、コンタクトプラグとコンタクトし易いようなパターンで形成される。
【0914】
▲2▼ 製造方法3の各ステップ
以下、図172のセルアレイ構造を実現するための製造方法について説明する。ここでは、具体化された製造方法(例えば、デュアルダマシンプロセスの採用など)を説明するので、図172のセルアレイ構造にない要素についても説明されることに留意する。但し、最終的に完成するセルアレイ構造の概略は、図172のセルアレイ構造とほぼ同じとなる。
【0915】
・ 素子分離ステップ
まず、図173に示すように、半導体基板51内に、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離絶縁層52を形成する。
【0916】
素子分離絶縁層52は、例えば、以下のようなプロセスにより形成できる。
【0917】
PEP(Photo Engraving Process)により、半導体基板51上にマスクパターン(窒化シリコンなど)を形成する。このマスクパターンをマスクにして、RIE(Reactive Ion Etching)を用いて半導体基板51をエッチングし、半導体基板51にトレンチを形成する。例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法及びCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、このトレンチ内に絶縁層(酸化シリコンなど)を満たす。
【0918】
この後、必要ならば、例えば、イオン注入法により、半導体基板内に、P型不純物(B、BFなど)又はN型不純物(P,Asなど)を注入し、P型ウェル領域又はN型ウェル領域を形成する。
【0919】
・ MOSFETの形成ステップ
次に、図174に示すように、半導体基板51の表面領域に、読み出し選択スイッチとして機能するMOSトランジスタを形成する。
【0920】
MOSトランジスタは、例えば、以下のようなプロセスにより形成できる。
【0921】
素子分離絶縁層52に取り囲まれた素子領域内のチャネル部に、MOSトランジスタの閾値を制御するための不純物をイオン注入する。熱酸化法により、素子領域内にゲート絶縁膜(酸化シリコンなど)53を形成する。CVD法により、ゲート絶縁膜53上に、ゲート電極材料(不純物を含むポリシリコンなど)及びキャップ絶縁膜(窒化シリコンなど)55を形成する。
【0922】
PEPにより、キャップ絶縁膜55をパターニングした後、このキャップ絶縁膜55をマスクにして、RIEにより、ゲート電極材料及びゲート絶縁膜53を加工(エッチング)する。その結果、半導体基板51上に、X方向に延びるゲート電極54が形成される。
【0923】
キャップ絶縁膜55及びゲート電極54をマスクにして、イオン注入法を用いて、半導体基板51内に、P型不純物又はN型不純物を注入する。そして、半導体基板内に、低濃度の不純物領域(LDD領域又はエクステンション領域)を形成する。
【0924】
CVD法により、半導体基板51上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングし、ゲート電極54及びキャップ絶縁膜55の側壁に、サイドウォール絶縁層57を形成する。キャップ絶縁膜55、ゲート電極54及びサイドウォール絶縁層57をマスクにして、イオン注入法を用いて、半導体基板51内に、P型不純物又はN型不純物を注入する。その結果、半導体基板51内には、ソース領域56A及びドレイン領域56Bが形成される
この後、CVD法により、半導体基板51上の全体に、MOSトランジスタを完全に覆う層間絶縁膜(例えば、酸化シリコンなど)58を形成する。また、CMP技術を利用することによって、層間絶縁膜58の表面を平坦化する。
【0925】
・ コンタクトホールの形成ステップ
次に、図175及び図176に示すように、半導体基板51上の層間絶縁膜58に、MOSトランジスタのソース領域56A及びドレイン領域56Bに到達するコンタクトホール59を形成する。
【0926】
コンタクトホール59は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜58上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜58をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0927】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図177に示すように、半導体基板51上の層間絶縁膜58に、配線溝60を形成する。本例では、配線溝60は、X方向に延びているため、Y方向に沿う断面で見た場合には、配線溝60は、コンタクトホール59にオーバーラップしている。そこで、同図では、配線溝60を破線で示している。
【0928】
配線溝60は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜58上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜58をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0929】
・ 第1配線層の形成ステップ
次に、図178に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜58上、コンタクトホール59の内面上及び配線溝60の内面上に、それぞれ、バリアメタル層(TiとTiNの積層など)61を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層61上に、コンタクトホール59及び配線溝60を完全に満たす金属層(Wなど)62を形成する。
【0930】
この後、図179に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層62を研磨し、金属層62を、コンタクトホール59内及び配線溝60内のみに残す。コンタクトホール59内に残存した金属層62は、コンタクトプラグとなり、配線溝60内に残存した金属層62は、第1配線層となる。また、CVD法により、層間絶縁膜58上に、層間絶縁膜(酸化シリコンなど)63を形成する。
【0931】
なお、コンタクトホールの形成ステップ、配線溝の形成ステップ及び第1配線層の形成ステップからなるステップは、デュアルダマシンプロセスと呼ばれる。
【0932】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図180に示すように、層間絶縁膜63に、配線溝64を形成する。本例では、配線溝64は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝64の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)65が形成される。
【0933】
配線溝64は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜63上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜63をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0934】
サイドウォール絶縁層65は、CVD法により、層間絶縁膜63上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0935】
・ 第2配線層の形成ステップ
次に、図181に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜63上、配線溝64の内面上及びサイドウォール絶縁層65上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)66を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層66上に、配線溝64を完全に満たす金属層(Cuなど)67を形成する。
【0936】
この後、図182に示すように、例えば、CMP法を用いて、金属層67を研磨し、金属層67を、配線溝64内のみに残す。配線溝64内に残存した金属層67は、書き込みワード線として機能する第2配線層となる。
【0937】
また、CVD法により、層間絶縁膜63上に絶縁層(窒化シリコンなど)68を形成する。また、CMP法により、この絶縁層68を研磨し、この絶縁層68を、第2配線層としての金属層67上のみに残存させる。また、層間絶縁膜63上に、第2配線層としての金属層67を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)69を形成する。
【0938】
なお、配線溝の形成ステップ及び第2配線層の形成ステップからなるステップは、ダマシンプロセスと呼ばれる。
【0939】
・ 第1MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図183及び図184に示すように、層間絶縁膜69に、第1配線層としての金属層62に到達するコンタクトホールを形成する。
【0940】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜69上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜63,69をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0941】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)70を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層70上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)71を形成する。
【0942】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層71を研磨し、金属層71を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層71は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜69上に、第1MTJ素子の下部電極となる金属層72を形成する。
【0943】
・ 第1MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図185及び図186に示すように、金属層72上に、第1MTJ素子73を形成する。第1MTJ素子73は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図45に示すような構造を有している。
【0944】
また、本例では、第1MTJ素子73の側面に、第1MTJ素子73を保護する保護絶縁層(酸化シリコンなど)73Aを形成する。この保護絶縁層73Aは、CVD法とRIE法を用いれば、第1MTJ素子73の側面に、容易に形成することができる。
【0945】
CVD法を用いて、第1MTJ素子73を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)75Bを形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜75Bを研磨し、層間絶縁膜75Bを、第1MTJ素子73の間のみに残存させる。
【0946】
また、図187に示すように、スパッタ法により、層間絶縁膜75B上に、第1MTJ素子73の上部電極となる金属層74を形成する。続けて、CVD法により、金属層74上に、第1MTJ素子73を保護するアルミナ層74Aを形成する。
【0947】
この後、PEPにより、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、アルミナ層74A、金属層74及び層間絶縁膜75Bをパターニングする。この時、同時に、第1MTJ素子73の下部電極としての金属層72の表面を露出させる。
【0948】
再び、アルミナ層74Aを形成した後、RIEにより、アルミナ層74Aをエッチングすると、このアルミナ層74Aは、上部電極としての金属層74及び第1MTJ素子73の上部及び側壁部を覆った形で残存する。
【0949】
この後、CVD法を用いて、第1MTJ素子73を完全に覆う層間絶縁膜75を形成する。
【0950】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図188に示すように、例えば、レジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75に、配線溝75Aを形成する。この時、アルミナ層74Aは、エッチングストッパとして機能するため、配線溝75Aの底部が金属層74及び第1MTJ素子73に到達することはない。
【0951】
本例では、配線溝75Aは、書き込みビット線を形成するための溝となっており、Y方向に延びている。配線溝75Aの側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)が形成される。
【0952】
配線溝75Aは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜75上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0953】
サイドウォール絶縁層は、CVD法により、層間絶縁膜75上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0954】
・ 第3配線層の形成ステップ
次に、図189に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜75上、配線溝75Aの内面上及びサイドウォール絶縁層上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)76を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層76上に、配線溝75Aを完全に満たす金属層(Cuなど)77を形成する。
【0955】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層77を研磨し、金属層77を、配線溝75A内のみに残す。配線溝75A内に残存した金属層77は、書き込みビット線として機能する第3配線層となる。
【0956】
また、CVD法により、層間絶縁膜75上に絶縁層(窒化シリコンなど)78を形成する。また、CMP法により、この絶縁層78を研磨し、この絶縁層78を、第3配線層としての金属層77上のみに残存させる。また、層間絶縁膜75上に、第3配線層としての金属層77を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)79を形成する。
【0957】
・ 第2MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図190及び図191に示すように、層間絶縁膜75,79及びアルミナ層74Aに、第1MTJ素子の上部電極74に到達するコンタクトホールを形成する。
【0958】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜79上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75,79及びアルミナ層74Aをエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0959】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)80を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層80上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)81を形成する。
【0960】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層81を研磨し、金属層81を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層81は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜79上に、第2MTJ素子の下部電極となる金属層82を形成する。
【0961】
・ 第2MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図192及び図193に示すように、金属層82上に、第2MTJ素子84を形成する。第2MTJ素子84は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図46に示すような構造を有している。
【0962】
また、本例では、第2MTJ素子84の側面に、第2MTJ素子84を保護する保護絶縁層(酸化シリコンなど)83Aを形成する。この保護絶縁層83Aは、CVD法とRIE法を用いれば、第2MTJ素子84の側面に、容易に形成することができる。
【0963】
この後、第2MTJ素子84の下部電極82をパターニングする。第2MTJ素子84の下部電極82のパターニングは、PEPにより、下部電極82上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部電極82をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0964】
次に、図194に示すように、CVD法により、第2MTJ素子84上に、第2MTJ素子84を保護するアルミナ層83Bを形成する。この後、RIEにより、アルミナ層83Bは、エッチングされ、その結果、第2MTJ素子84の側壁部にアルミナ層83Bが残存する。
【0965】
CVD法を用いて、第2MTJ素子84を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)84Bを形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜84Bを研磨し、層間絶縁膜84Bを、第2MTJ素子84の間のみに残存させる。
【0966】
また、層間絶縁膜75,79,84Bに、第1MTJ素子の下部電極72に到達するコンタクトホールを形成する。
【0967】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜84B上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜75,79,84Bをエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0968】
なお、このエッチングステップにおいて、アルミナ層74A,83Bのエッチングレートは、層間絶縁膜75,79,84Bのエッチングレートよりも十分に小さくなるように設定されている。
【0969】
即ち、本例によれば、コンタクトホールの合せずれが生じても、アルミナ層74A,83Bが第1及び第2MTJ素子73,84を保護しているため、第1及び第2MTJ素子73,84がエッチングされるという事態が生じることがない。
【0970】
次に、図195に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)85Aを形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層85A上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)85Bを形成する。
【0971】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層85Bを研磨し、金属層85Bを、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層85Bは、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜84B上に、第2MTJ素子84の上部電極となる金属層85を形成する。続けて、CVD法により、金属層85上に、第2MTJ素子84を保護するアルミナ層85Cを形成する。
【0972】
この後、図196に示すように、PEPにより、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、アルミナ層85C及び金属層85をパターニングする。再び、アルミナ層85Cを形成した後、RIEにより、アルミナ層85Cをエッチングすると、このアルミナ層85Cは、上部電極としての金属層85及び第2MTJ素子84の上部及び側壁部を覆った形で残存する。
【0973】
この後、CVD法を用いて、第2MTJ素子85を完全に覆う層間絶縁膜86を形成する。
【0974】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図197に示すように、例えば、レジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86に、配線溝87を形成する。この時、アルミナ層85Cは、エッチングストッパとして機能するため、配線溝87の底部が金属層85及び第2MTJ素子84に到達することはない。
【0975】
本例では、配線溝87は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝87の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)88が形成される。
【0976】
配線溝87は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜86上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0977】
サイドウォール絶縁層88は、CVD法により、層間絶縁膜86上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0978】
・ 第4配線層の形成ステップ
次に、図198に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜86上、配線溝87の内面上及びサイドウォール絶縁層88上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)89を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層89上に、配線溝87を完全に満たす金属層(Cuなど)90を形成する。
【0979】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層90を研磨し、金属層90を、配線溝87内のみに残す。配線溝87内に残存した金属層90は、書き込みワード線として機能する第4配線層となる。
【0980】
また、CVD法により、層間絶縁膜86上に絶縁層(窒化シリコンなど)92を形成する。また、CMP法により、この絶縁層92を研磨し、この絶縁層92を、第4配線層としての金属層90上のみに残存させる。また、層間絶縁膜86上に、第4配線層としての金属層90を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)93を形成する。
【0981】
・ 第3MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図199及び図200に示すように、CVD法により、層間絶縁膜93上に、第3MTJ素子の下部電極となる金属層96を形成する。
【0982】
ここで、製造方法3では、製造方法2と比べると、4段に積み重ねられたTMR素子を直並列に接続するために、第2MTJ素子の上部電極85に到達するコンタクトホールを形成するステップを省略している。
【0983】
・ 第3MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図201及び図202に示すように、金属層96上に、第3MTJ素子97を形成する。第3MTJ素子97は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図47に示すような構造を有している。
【0984】
また、本例では、第3MTJ素子97の側面に、第3MTJ素子97を保護する保護絶縁層(酸化シリコンなど)97Aを形成する。この保護絶縁層97Aは、CVD法とRIE法を用いれば、第3MTJ素子97の側面に、容易に形成することができる。
【0985】
この後、第3MTJ素子97の下部電極96をパターニングする。第3MTJ素子97の下部電極96のパターニングは、PEPにより、下部電極96上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部電極96をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【0986】
次に、図203に示すように、CVD法を用いて、第3MTJ素子97を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)98を形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜98を研磨し、層間絶縁膜98を、第3MTJ素子97の間のみに残存させる。
【0987】
この後、層間絶縁膜86,93,98に、第2MTJ素子84の下部電極82に到達するコンタクトホールを形成する。
【0988】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜98上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜86,93,98をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0989】
次に、図204に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)99Aを形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層99A上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)99Bを形成する。
【0990】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層99Bを研磨し、金属層99Bを、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層99Bは、コンタクトプラグとなる。また、CVD法により、層間絶縁膜98上に、第3MTJ素子の上部電極となる金属層99を形成する。
【0991】
また、CVD法により、第3MTJ素子97の上部電極99上に、第3MTJ素子97を保護するアルミナ層99Cを形成する。
【0992】
次に、図205に示すように、PEPにより、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、アルミナ層99C及び金属層99をパターニングする。再び、アルミナ層99Cを形成した後、RIEにより、アルミナ層99Cをエッチングすると、このアルミナ層99Cは、上部電極としての金属層99及び第3MTJ素子97の上部及び側壁部を覆った形で残存する。
【0993】
この後、CVD法を用いて、第3MTJ素子97を完全に覆う層間絶縁膜100を形成する。
【0994】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図206及び図207に示すように、例えば、レジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100に、Y方向に延びる配線溝を形成する。この時、アルミナ層99Cは、エッチングストッパとして機能するため、配線溝の底部が金属層99及び第3MTJ素子97に到達することはない。
【0995】
本例では、配線溝は、書き込みビット線を形成するための溝となっており、Y方向に延びている。配線溝の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)が形成される。
【0996】
配線溝は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜100上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【0997】
サイドウォール絶縁層は、CVD法により、層間絶縁膜100上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【0998】
・ 第5配線層の形成ステップ
次に、図206及び図207に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜100上、配線溝の内面上及びサイドウォール絶縁層上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)101を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層101上に、配線溝を完全に満たす金属層(Cuなど)102を形成する。
【0999】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層102を研磨し、金属層102を、配線溝内のみに残す。配線溝内に残存した金属層102は、書き込みビット線として機能する第5配線層となる。
【1000】
また、CVD法により、層間絶縁膜100上に絶縁層(窒化シリコンなど)103を形成する。また、CMP法により、この絶縁層103を研磨し、この絶縁層103を、第5配線層としての金属層102上のみに残存させる。また、層間絶縁膜100上に、第5配線層としての金属層102を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)104を形成する。
【1001】
・ 第4MTJ素子の下部電極の形成ステップ
次に、図208及び図209に示すように、層間絶縁膜100,104及びアルミナ層99Cに、第3MTJ素子97の上部電極99に到達するコンタクトホールを形成する。
【1002】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜104上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100,104及びアルミナ層99Cをエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【1003】
また、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)80Xを形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層80X上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)81Xを形成する。
【1004】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層81Xを研磨し、金属層81Xを、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層81Xは、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜104上に、第4MTJ素子の下部電極となる金属層107を形成する。
【1005】
・ 第4MTJ素子及びその上部電極の形成ステップ
次に、図208及び図209に示すように、金属層107上に、第4MTJ素子108を形成する。第4MTJ素子108は、トンネルバリア及びこれを挟み込む2つの強磁性層と反強磁性層とから構成され、例えば、図48に示すような構造を有している。
【1006】
また、本例では、第4MTJ素子108の側面に、第4MTJ素子108を保護する保護絶縁層(酸化シリコンなど)108Aを形成する。この保護絶縁層108Aは、CVD法とRIE法を用いれば、第4MTJ素子108の側面に、容易に形成することができる。
【1007】
この後、第4MTJ素子108の下部電極107をパターニングする。第4MTJ素子108の下部電極107のパターニングは、PEPにより、下部電極107上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、下部電極107をエッチングすることにより、容易に行える。この後、レジストパターンは、除去される。
【1008】
次に、図210に示すように、CVD法により、第4MTJ素子108上に、第4MTJ素子108を保護するアルミナ層108Bを形成する。この後、RIEにより、アルミナ層108Bは、エッチングされ、その結果、第4MTJ素子108の側壁部にアルミナ層108Bが残存する。
【1009】
CVD法を用いて、第4MTJ素子108を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)109を形成する。また、例えば、CMP法により、層間絶縁膜109を研磨し、層間絶縁膜109を、第4MTJ素子108の間のみに残存させる。
【1010】
また、層間絶縁膜100,104,109に、第3MTJ素子97の下部電極96に到達するコンタクトホールを形成する。
【1011】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜109上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜100,104,109をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【1012】
なお、このエッチングステップにおいて、アルミナ層99C,108Bのエッチングレートは、層間絶縁膜100,104,109のエッチングレートよりも十分に小さくなるように設定されている。
【1013】
即ち、本例によれば、コンタクトホールの合せずれが生じても、アルミナ層99C,108Bが第3及び第4MTJ素子97,108を保護しているため、第3及び第4MTJ素子97,108がエッチングされるという事態が生じることがない。
【1014】
次に、図211に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトホールの内面上にバリアメタル層(TiとTiNの積層など)105を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層105上に、コンタクトホールを完全に満たす金属層(Wなど)106を形成する。
【1015】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層106を研磨し、金属層106を、コンタクトホール内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層106は、コンタクトプラグとなる。また、スパッタ法により、層間絶縁膜109上に、第4MTJ素子108の上部電極となる金属層107を形成する。続けて、CVD法により、金属層107上に、第4MTJ素子108を保護するアルミナ層107Aを形成する。
【1016】
次に、図212に示すように、PEPにより、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、アルミナ層107A及び金属層107をパターニングする。
【1017】
再び、アルミナ層107Aを形成した後、RIEにより、アルミナ層107Aをエッチングすると、このアルミナ層107Aは、上部電極としての金属層107及び第4MTJ素子108の上部及び側壁部を覆った形で残存する。
【1018】
この後、CVD法を用いて、第4MTJ素子108を完全に覆う層間絶縁膜111を形成する。
【1019】
・ 配線溝の形成ステップ
次に、図213及び図214に示すように、例えば、レジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜111に、X方向に延びる配線溝112を形成する。この時、アルミナ層107Aは、エッチングストッパとして機能するため、配線溝112の底部が金属層107及び第4MTJ素子108に到達することはない。
【1020】
本例では、配線溝112は、書き込みワード線を形成するための溝となっており、X方向に延びている。配線溝112の側面には、自己整合コンタクトプロセスのためのサイドウォール絶縁層(窒化シリコンなど)113が形成される。
【1021】
配線溝112は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜111上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜111をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【1022】
サイドウォール絶縁層113は、CVD法により、層間絶縁膜111上の全体に、絶縁膜(窒化シリコンなど)を形成した後、RIEにより、その絶縁膜をエッチングすることにより、容易に形成することができる。
【1023】
・ 第6配線層の形成ステップ
次に、図213及び図214に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜111上、配線溝112の内面上及びサイドウォール絶縁層113上に、それぞれ、バリアメタル層(TaとTaNの積層など)114を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層114上に、配線溝112を完全に満たす金属層(Cuなど)115を形成する。
【1024】
この後、例えば、CMP法を用いて、金属層115を研磨し、金属層115を、配線溝112内のみに残す。配線溝112内に残存した金属層115は、書き込みワード線として機能する第6配線層となる。
【1025】
また、CVD法により、層間絶縁膜111上に絶縁層(窒化シリコンなど)116を形成する。また、CMP法により、この絶縁層116を研磨し、この絶縁層116を、第6配線層としての金属層115上のみに残存させる。
【1026】
・ 第7配線層の形成ステップ
次に、図215及び図216に示すように、層間絶縁膜111上に、第6配線層としての金属層115を完全に覆う層間絶縁膜(酸化シリコンなど)117を形成する。層間絶縁膜111,117に、第4MTJ素子の上部電極107に到達するコンタクトホールを形成する。
【1027】
このコンタクトホールは、例えば、PEPにより、層間絶縁膜117上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜111,117をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【1028】
また、層間絶縁膜117に、読み出しビット線を形成するための配線溝を形成する。
【1029】
この配線溝は、例えば、PEPにより、層間絶縁膜117上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、RIEにより、層間絶縁膜117をエッチングすれば、容易に形成することができる。このエッチング後、レジストパターンは、除去される。
【1030】
この後、例えば、スパッタ法を用いて、層間絶縁膜117上、コンタクトホールの内面上及び配線溝の内面上に、それぞれ、バリアメタル層(TiとTiNの積層など)118を形成する。続けて、例えば、スパッタ法により、バリアメタル層118上に、コンタクトホール及び配線溝を完全に満たす金属層(Wなど)119を形成する。
【1031】
また、例えば、CMP法により、金属層119及びバリアメタル層117を研磨し、これら金属層119及びバリアメタル層117を、コンタクトホール内及び配線溝内のみに残す。コンタクトホール内に残存した金属層119は、コンタクトプラグとなる。また、配線溝内に残存した金属層119は、読み出しビット線として機能する第7配線層となる。
【1032】
▲3▼ まとめ
この製造方法3によれば、複数のTMR素子が複数段に積み重ねられ、かつ、これら複数のTMR素子が読み出しビット線と接地端子の間に直並列接続されたセルアレイ構造(1スイッチ−nMTJ構造)を実現することができる。
【1033】
なお、本例では、配線層を形成するに当たって、ダマシンプロセス及びデュアルダマシンプロセスを採用したが、これに代えて、例えば、配線層の加工をエッチングにより行うプロセスを採用してもよい。
【1034】
9. その他
上述の説明では、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルとして、TMR素子を用いることを前提としたが、メモリセルがGMR(Giant Magneto Resistance)素子である場合にも、本発明、即ち、各種のセルアレイ構造、読み出し動作原理、読み出し回路の具体例などを適用することができる。
【1035】
また、TMR素子やGMR素子の構造や、これらを構成する材料などについても、本発明の適用に当たって、特に、限定されることはない。
【1036】
磁気ランダムアクセスメモリの読み出し選択スイッチとしては、MOSトランジスタ、バイポーラトランジスタ及びダイオードの場合について説明したが、これ以外のスイッチ素子、例えば、MIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタ(MOSFETを含む)、MES(Metal Semiconductor)トランジスタ、接合(Junction)トランジスタを、読み出し選択スイッチとして用いることもできる。
【1037】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、第一に、メモリ容量の増大に適した新規なセルアレイ構造を有する磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法を提供できる。また、第二に、その新規なセルアレイ構造に適した新規な読み出し動作原理を提供できる。さらに、第三に、その新規な読み出し動作原理を実現するための読み出し回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例1に関わる回路図。
【図2】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例1に関わる断面図。
【図3】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例1に関わる断面図。
【図4】構造例1の第1変形例を示す回路図。
【図5】構造例1の第1変形例を示す断面図。
【図6】構造例1の第2変形例を示す回路図。
【図7】構造例1の第2変形例を示す断面図。
【図8】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例2に関わる回路図。
【図9】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例2に関わる断面図。
【図10】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例2に関わる断面図。
【図11】構造例2の第1変形例を示す断面図。
【図12】構造例2の第1変形例を示す平面図。
【図13】構造例2の第2変形例を示す回路図。
【図14】構造例2の第2変形例を示す断面図。
【図15】構造例2の第3変形例を示す回路図。
【図16】構造例2の第3変形例を示す断面図。
【図17】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例3に関わる回路図。
【図18】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例3に関わる断面図。
【図19】構造例3の第1変形例を示す回路図。
【図20】構造例3の第1変形例を示す断面図。
【図21】構造例3の第2変形例を示す回路図。
【図22】構造例3の第2変形例を示す断面図。
【図23】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例4に関わる回路図。
【図24】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例4に関わる回路図。
【図25】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例4に関わる回路図。
【図26】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例4に関わる断面図。
【図27】構造例4の変形例を示す断面図。
【図28】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例5に関わる回路図。
【図29】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例5に関わる回路図。
【図30】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例5に関わる回路図。
【図31】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構造例5に関わる断面図。
【図32】構造例5の変形例を示す断面図。
【図33】構造例1の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図34】構造例1の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図35】構造例1の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図36】構造例2の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図37】構造例2の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図38】構造例2の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図39】構造例3の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図40】構造例3の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図41】構造例3の読み出し動作時の等価回路を示す図。
【図42】TMR素子の構造例を示す図。
【図43】TMR素子の構造例を示す図。
【図44】TMR素子の構造例を示す図。
【図45】第1TMR素子の構造例を示す図。
【図46】第2TMR素子の構造例を示す図。
【図47】第3TMR素子の構造例を示す図。
【図48】第4TMR素子の構造例を示す図。
【図49】第1TMR素子の構造例を示す図。
【図50】第2TMR素子の構造例を示す図。
【図51】第3TMR素子の構造例を示す図。
【図52】第4TMR素子の構造例を示す図。
【図53】本発明に関わる読み出し回路の回路例1を示す図。
【図54】本発明に関わる読み出し回路の回路例2を示す図。
【図55】本発明に関わる読み出し回路の回路例3を示す図。
【図56】センスアンプの一例を示す図。
【図57】センスアンプ内の差動アンプの一例を示す図。
【図58】センスアンプ内の差動アンプの他の例を示す図。
【図59】センスアンプの他の例を示す図。
【図60】読み出し回路内のオペアンプの一例を示す図。
【図61】読み出し回路内のオペアンプの他の例を示す図。
【図62】付加電流生成部の一例を示す回路図。
【図63】本発明に関わる読み出し回路の回路例4を示す図。
【図64】第4TMR素子のデータ値を判定するロジック回路を示す図。
【図65】第3TMR素子のデータ値を判定するロジック回路を示す図。
【図66】第2TMR素子のデータ値を判定するロジック回路を示す図。
【図67】第1TMR素子のデータ値を判定するロジック回路を示す図。
【図68】書き込みワード線ドライバ/シンカーの回路例を示す図。
【図69】書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例を示す図。
【図70】読み出しワード線ドライバの回路例を示す図。
【図71】カラムデコーダの回路例を示す図。
【図72】書き込みワード線ドライバ/シンカーの回路例を示す図。
【図73】書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例を示す図。
【図74】書き込み線に対して対称に配置されるTMR素子を示す図。
【図75】書き込み線に対して対称に配置されるTMR素子を示す図。
【図76】書き込み線に対して対称に配置されるTMR素子を示す図。
【図77】書き込み線に対して対称に配置されるTMR素子を示す図。
【図78】書き込み線に対して対称に配置されるTMR素子を示す図。
【図79】書き込み線に対して対称に配置されるTMR素子を示す図。
【図80】書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例を示す図。
【図81】本発明の製造方法1が適用されるデバイス構造を示す図。
【図82】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図83】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図84】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図85】図84のLXXXV−LXXXV線に沿う断面図。
【図86】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図87】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図88】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図89】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図90】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図91】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図92】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図93】図92のXCIII−XCIII線に沿う断面図。
【図94】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図95】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図96】図95のXCVI−XCVI線に沿う断面図。
【図97】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図98】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図99】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図100】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図101】図100のCI−CI線に沿う断面図。
【図102】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図103】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図104】図103のCIV−CIV線に沿う断面図。
【図105】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図106】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図107】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図108】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図109】図108のCIX−CIX線に沿う断面図。
【図110】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図111】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図112】図111のCXII−CXII線に沿う断面図。
【図113】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図114】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図115】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図116】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図117】図116のCXVII−CXVII線に沿う断面図。
【図118】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図119】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図120】図119のCXX−CXX線に沿う断面図。
【図121】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図122】本発明の製造方法1の1ステップを示す断面図。
【図123】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図124】図123のCXXIV−CXXIV線に沿う断面図。
【図125】本発明の製造方法1の1ステップを示す平面図。
【図126】図125のCXXVI−CXXVI線に沿う断面図。
【図127】本発明の製造方法2が適用されるデバイス構造を示す図。
【図128】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図129】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図130】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図131】図130のCXXXI−CXXXI線に沿う断面図。
【図132】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図133】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図134】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図135】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図136】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図137】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図138】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図139】図138のCXXXIX−CXXXIX線に沿う断面図。
【図140】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図141】図140のCXLI−CXLI線に沿う断面図。
【図142】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図143】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図144】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図145】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図146】図145のCXLVI−CXLVI線に沿う断面図。
【図147】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図148】図147のCXLVIII−CXLVIII線に沿う断面図。
【図149】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図150】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図151】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図152】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図153】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図154】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図155】図154のCLV−CLV線に沿う断面図。
【図156】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図157】図156のCLVII−CLVII線に沿う断面図。
【図158】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図159】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図160】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図161】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図162】図161のCLXII−CLXII線に沿う断面図。
【図163】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図164】図163のCLXIV−CLXIV線に沿う断面図。
【図165】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図166】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図167】本発明の製造方法2の1ステップを示す断面図。
【図168】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図169】図168のCLXIX−CLXIX線に沿う断面図。
【図170】本発明の製造方法2の1ステップを示す平面図。
【図171】図170のCLXXVI−CLXXVI線に沿う断面図。
【図172】本発明の製造方法3が適用されるデバイス構造を示す図。
【図173】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図174】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図175】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図176】図175のCLXXVI−CLXXVI線に沿う断面図。
【図177】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図178】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図179】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図180】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図181】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図182】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図183】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図184】図183のCLXXXIV−CLXXXIV線に沿う断面図。
【図185】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図186】図185のCLXXXVI−CLXXXVI線に沿う断面図。
【図187】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図188】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図189】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図190】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図191】図190のCXCI−CXCI線に沿う断面図。
【図192】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図193】図192のCXCIII−CXCIII線に沿う断面図。
【図194】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図195】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図196】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図197】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図198】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図199】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図200】図199のCC−CC線に沿う断面図。
【図201】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図202】図201のCCII−CCII線に沿う断面図。
【図203】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図204】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図205】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図206】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図207】図206のCCVII−CCVII線に沿う断面図。
【図208】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図209】図208のCCIX−CCIX線に沿う断面図。
【図210】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図211】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図212】本発明の製造方法3の1ステップを示す断面図。
【図213】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図214】図213のCCXIV−CCXIV線に沿う断面図。
【図215】本発明の製造方法3の1ステップを示す平面図。
【図216】図215のCCXVI−CCXVI線に沿う断面図。
【図217】構造例1の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図218】構造例1の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図219】構造例2の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図220】構造例2の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図221】構造例3の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図222】構造例3の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図223】構造例4の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図224】構造例4の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図225】構造例4の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図226】構造例5の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図227】構造例5の一部を変更した構造例を示す回路図。
【図228】構造例5の一部を変更した構造例を示す回路図。
【符号の説明】
11 :メモリセルアレイ、
12 :TMR素子、
23A−0,・・・23A−n :書き込みワード線ドライバ、
24−0,・・・24−n :書き込みワード線シンカー、
25−0,・・・25−n :ロウデコーダ、
28 :共通データ線、
29 :書き込みビット線ドライバ/シンカー、
29A :書き込みビット線ドライバ/シンカー、
29B :読み出し回路、
30A,30B :共通ドライバ線、
31 :書き込みビット線ドライバ/シンカー、
32 :カラムデコーダ、
41,51 :半導体基板、
41A1,・・・41A4 :下部電極、
41B1,・・・41B4 :上部電極、
42A,・・・42F :コンタクトプラグ、
43 :中間層、
44A,44B,47,49,50,51X,52X:コンタクト部、
44−0,・・・44−14 :基準電流生成回路、
52 :素子分離絶縁層、
53 :ゲート絶縁膜、
54 :ゲート電極、
55 :キャップ絶縁膜、
56A :ソース領域、
56B :ドレイン領域、
57,65,88 :サイドウォール絶縁層、
58,63,69,75,75B,79,84B,86,93,98,100,104,109,111,117 :層間絶縁膜、
59 :コンタクトホール、
60,64,75A,87,112 :配線溝、
61,66,70,76,80,85A,89,99A,101,114,118 :バリアメタル層、
62,67,71,72,74,77,81,82,85B,90,99B,102,115,119 :金属層、
68,78,103 :絶縁層、
73,84,97,108 :MTJ素子、
74A,83B,85C :アルミナ層、
83A :保護絶縁層、
MTJ1,・・・MTJ4 :TMR素子(MTJ素子)、
BL00,・・・BLjn :ブロック、
WWL0,・・・WWL3n+2 :書き込みワード線、
RWL0,・・・RWLn :読み出しワード線、
BL00,・・・BLj0,BL01,・・・BLj1 :書き込みビット線、
BL0,・・・BLj :読み出しビット線、
Px1,Px2,Px3,QPx,QP0,・・・QP21 :PチャネルMOSトランジスタ、
QN00,・・・QN140,QN01,・・・QN141,QN0,・・・QN21 :NチャネルMOSトランジスタ、
NR1,・・・NR17 :NOR回路、
AD1,・・・AD6 :AND回路、
ND1,・・・ND3 :NAND回路、
Ex−OR1 :エクスクルーシブOR回路、
IV1,・・・IV20 :インバータ回路、
DI0,・・・DI14 :差動アンプ、
Mx :カレントミラー回路、
Ix :電流源、
SW,SWA,SWB :カラム選択スイッチ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention provides a magnetoresistive effect.UseThe present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM).
[0002]
[Prior art]
  In recent years, many memories for storing data based on a new principle have been proposed. One of them is a tunneling magnetoresistive effect (hereinafter referred to as TMR).UseThere is a magnetic random access memory.
[0003]
As a proposal of magnetic random access memory, for example, ISSCC2000 Technical Digest p.128 `` A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell '' by Roy Scheuerlein et.al is known. ing.
[0004]
The magnetic random access memory stores “1”, “0” -data by the TMR element. The basic structure of a TMR element is a structure in which an insulating layer (tunnel barrier) is sandwiched between two magnetic layers (ferromagnetic layers). However, as for the structure of the TMR element, various structures have been proposed for the purpose of optimizing the MR (Magneto Resistive) ratio (for example, regarding the MR ratio and the structure of the TMR element, see Japanese Patent Application No. 2000-296082, (See Japanese Patent Application No. 2001-37140).
[0005]
The data stored in the TMR element is determined by whether the magnetization states of the two magnetic layers are parallel or antiparallel. Here, “parallel” means that the magnetization directions of the two magnetic layers are the same, and “anti-parallel” means that the magnetization directions of the two magnetic layers are opposite.
[0006]
Usually, one of the two magnetic layers (pinned layer) is provided with an antiferromagnetic layer. The antiferromagnetic layer is a member for fixing the magnetization direction of the fixed layer. Therefore, actually, data (“1” or “0”) stored in the TMR element is determined by the magnetization direction of the other one (free layer) of the two magnetic layers.
[0007]
When the magnetization state of the TMR element is parallel, the tunnel resistance of the insulating layer (tunnel barrier) sandwiched between the two magnetic layers constituting the TMR element is the lowest. For example, this state is set to “1” -state. Further, when the magnetization state of the TMR element becomes antiparallel, the tunnel resistance of the insulating layer (tunnel barrier) sandwiched between two magnetic layers constituting the TMR element becomes the highest. For example, this state is set to “0” -state.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Regarding the cell array structure of the magnetic random access memory, various structures are currently being studied from the viewpoint of increasing the memory capacity and stabilizing the write / read operation.
[0009]
For example, at present, a cell array structure in which one memory cell includes one MOS transistor and one TMR element (or MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element) is known. A magnetic random access memory having such a cell array structure for storing 1-bit data using two memory cell arrays is also known in order to realize a stable read operation.
[0010]
However, it is difficult to increase the memory capacity in these magnetic random access memories. This is because, in these cell array structures, one MOS transistor corresponds to one TMR element.
[0011]
For example, Japanese Patent Application No. 2000-296082 proposes an array structure in which a plurality of TMR elements are connected in parallel. According to this cell array structure, since one MOS transistor corresponds to a plurality of TMR elements, the memory capacity is larger than that of a cell array structure in which one memory cell is composed of one TMR element and one MOS transistor. Can be increased.
[0012]
However, even in the technique disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-296082, the TMR elements are two-dimensionally arranged in one plane, so that the TMR elements cannot be sufficiently integrated at a high density.
[0013]
An object of the present invention is to propose a magnetic random access memory having a novel cell array structure suitable for increasing the memory capacity and a manufacturing method thereof, and to propose a novel read operation principle suitable for the novel cell array structure, Another object is to propose a read circuit for realizing the novel read operation principle.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  The magnetic random access memory of the present invention is stacked on a semiconductor substrate and is connected in series with a magnetoresistive effectUseA plurality of memory cells, and a plurality of memory cellsAll furtheraboveArrangementAnd connected to one end of the plurality of memory cells.readingA bit line;readingA read circuit connected to a bit line and used to write data to one of the plurality of memory cells;A plurality of write word lines extending in the X direction and stacked in the Z direction perpendicular to the X directionAnd used to write data to one of the plurality of memory cells,A write bit line that intersects the X direction and extends in the Y direction perpendicular to the X direction and the Z directionWith.Each of the plurality of memory cells is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and the plurality of memory cells are connected in series with each other by a contact plug that contacts the upper electrode or the lower electrode. The write word line is disposed above or below the memory cell, and the write bit line is disposed below or above the memory cell opposite to the side on which the write word line is disposed. The write word line and the write bit line disposed between the memory cells are shared by the memory cells disposed above and below the write word line and the write bit line.
[0016]
  The magnetic random access memory of the present invention is stacked on a semiconductor substrate, and is configured by a combination of series connection and parallel connection.UseA plurality of memory cells, and a plurality of memory cellsAll furtheraboveArrangementAnd connected to one end of the plurality of memory cells.readingA bit line and saidreadingA read circuit connected to a bit line and used to write data to one of the plurality of memory cells;A plurality of write word lines extending in the X direction and stacked in the Z direction perpendicular to the X directionAnd used to write data to one of the plurality of memory cells,A write bit line that intersects the X direction and extends in the Y direction perpendicular to the X direction and the Z directionWith.Each of the plurality of memory cells is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and the plurality of memory cells are connected to each other by a combination of series connection and parallel connection by contact plugs that contact the upper electrode or the lower electrode. The The write word line is disposed above or below the memory cell, and the write bit line is disposed below or above the memory cell opposite to the side on which the write word line is disposed. The write word line and the write bit line disposed between the memory cells are shared by the memory cells disposed above and below the write word line and the write bit line.
[0045]
  The manufacturing method of the magnetic random access memory of the present invention is as follows:A plurality of memory cells that are stacked on a semiconductor substrate and that use the magnetoresistive effect connected in series, and are arranged above all of the plurality of memory cells and connected to one end of the plurality of memory cells. A read bit line, a read circuit connected to the read bit line, and used to write data to one of the plurality of memory cells, extend in the X direction, and extend in the Z direction perpendicular to the X direction. A plurality of write word lines stacked and a write used to write data to one of the plurality of memory cells, intersecting the X direction and extending in the Y direction perpendicular to the X direction and the Z direction Each of the plurality of memory cells is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and the plurality of memory cells are contoured to the upper electrode or the lower electrode. Connected to each other in series by contact plugs, the write word lines are arranged at the top or bottom of the memory cell, and the write bit lines are opposite to the side on which the write word lines are arranged, A magnetic random access memory that is disposed below or above the memory cell and is shared by the memory cells disposed above and below the write word line and the write bit line disposed between the memory cells. Applies to The manufacturing method is as described above.Forming a read selection switch on a surface region of the semiconductor substrate; and on the read selection switchFirst write word lines extending in the X direction and stacked in the Z directionForming the step, andFirst write word lineDirectly aboveFirst memory cellForming the step, andFirst memory cellDirectly aboveIntersects the X direction and the Y directionExtend toFirst write bit lineForming the step, andFirst write bit lineDirectly aboveFirst write bit lineAgainstFirst memory cellSymmetric withSecond memory cellForming the step, andSecond memory cellDirectly aboveSecond write word line extending in the X direction and stacked in the Z directionForming the step, andSecond write word lineDirectly aboveSecond write word lineAgainstSecond memory cellSymmetric withThird memory cellForming the step, andThird memory cellDirectly aboveCross in the X direction and in the Y directionExtendSecond write bit lineForming the step, andSecond write bit lineDirectly aboveSecond write bit lineAgainstThird memory cellSymmetric withFourth memory cellForming the step, andFourth memory cellDirectly aboveThird write word line extending in the X direction and stacked in the Z directionForming the step, andThird write word lineabove,Intersects the X direction and the Y directionForming the read bit line extending in the step.
[0046]
  A method of manufacturing a magnetic random access memory according to the present invention includes a plurality of memory cells stacked on a semiconductor substrate and using a magnetoresistive effect configured by a combination of series connection and parallel connection, and the plurality of memory cells. Data is written to one of the plurality of memory cells, a read bit line that is arranged further above and connected to one end of the plurality of memory cells, a read circuit connected to the read bit line, and one of the plurality of memory cells. A plurality of write word lines extending in the X direction and stacked in a Z direction perpendicular to the X direction; and used to write data to one of the plurality of memory cells, the X direction And a write bit line extending in the Y direction perpendicular to the X direction and the Z direction, and each of the plurality of memory cells includes an upper electrode The plurality of memory cells sandwiched between lower electrodes are connected to each other by a combination of series connection and parallel connection by contact plugs that contact the upper electrode or the lower electrode, and the write word line is connected to the upper part of the memory cell. Alternatively, the write bit line is disposed below or above the memory cell on the opposite side of the write word line and disposed between the memory cells. The word line and the write bit line are applied to a magnetic random access memory shared by the memory cells disposed above and below the word line and the write bit line. The manufacturing method includes a step of forming a read selection switch in a surface region of the semiconductor substrate, and a step of forming a first write word line extending in the X direction and stacked in the Z direction on the read selection switch. Forming a first memory cell directly above the first write word line; and a first write bit extending directly in the X direction and extending in the Y direction immediately above the first memory cell. Forming a line; forming a second memory cell directly above the first write bit line and symmetric with the first memory cell with respect to the first write bit line; Forming a second write word line extending in the X direction and stacked in the Z direction immediately above the second memory cell; and the second write word Forming a third memory cell that is symmetrical to the second memory cell with respect to the second write word line directly above the line; and in the X direction directly above the third memory cell. Forming a second write bit line that intersects and extends in the Y direction; and symmetrically with the third memory cell with respect to the second write bit line immediately above the second write bit line Forming a fourth memory cell; forming a third write word line extending directly in the X direction and stacked in the Z direction immediately above the fourth memory cell; and Forming on the write word line the read bit line that intersects the X direction and extends in the Y direction.
[0052]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the magnetic random access memory of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0053]
1. Overview
The first feature of the magnetic random access memory of the present invention is the cell array structure of the memory cell array.
[0054]
As a structure for achieving high integration of memory cells of the magnetic random access memory, for example, there are memory cell array structures disclosed in Japanese Patent Application Nos. 2001-350013 and 2001-365236.
[0055]
The present invention proposes a memory cell array structure obtained by modifying the memory cell array structure disclosed in these documents. That is, in the magnetic random access memory of the present invention, a read block is constituted by a plurality of TMR elements (or MTJ elements), and the read block is connected between the read bit line and the source line.
[0056]
The second feature of the magnetic random access memory of the present invention is the read operation principle.
[0057]
When the cell array structure related to the first feature described above is adopted, it is necessary to devise the read operation principle.
[0058]
The read operation principle is disclosed in detail in Japanese Patent Application No. 2000-296082, Japanese Patent Application No. 2001-350013, Japanese Patent Application No. 2001-365236, and the like. In the present application, the case where these read operation principles are applied to the memory cell array structure which is the first feature of the present invention will be described.
[0059]
The third feature of the magnetic random access memory of the present invention is the structure of the TMR element.
[0060]
When applying the new read operation principle related to the second feature described above, the structure of the plurality of TMR elements in the read block may have to be devised. Therefore, in the present invention, the structure of the TMR element when the memory cell array structure which is the second feature of the present invention is adopted will be described.
[0061]
The fourth feature of the magnetic random access memory of the present invention is the configuration of the read circuit.
[0062]
In the present invention, a novel read circuit is required to execute the read operation principle realized by the second and third features described above. Therefore, a specific example of the read circuit of the magnetic random access memory of the present invention is proposed.
[0063]
A fifth feature of the magnetic random access memory of the present invention is a method for manufacturing the magnetic random access memory.
[0064]
In the present invention, a novel reading method is required to realize the cell array structure related to the first feature described above. Therefore, the present invention proposes a manufacturing method for realizing the memory cell array structure related to the first feature described above.
[0065]
2. Cell array structure
First, the cell array structure of the magnetic random access memory of the present invention will be described. The cell array structure according to the present invention is characterized in that a plurality of TMR elements (or MTJ elements) are stacked in a plurality of stages in a direction (longitudinal direction) perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. That is, in the cell array structure of the present invention, the plurality of TMR elements are three-dimensionally arranged on the semiconductor substrate.
[0066]
The plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages are connected in series, in parallel, or a combination thereof (series-parallel) between the read bit line and the source line.
[0067]
With such a cell array structure, the TMR elements are three-dimensionally arranged on the semiconductor substrate, and one MOS transistor (read selection switch) may be associated with the plurality of TMR elements. This can contribute to an increase in memory capacity.
[0068]
(1) Structural example 1
Structural example 1 relates to a cell array structure in which a plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages are connected in series.
[0069]
(1) Circuit structure
First, the circuit structure will be described.
FIG. 1 shows a main part of a magnetic random access memory as Structural Example 1 of the present invention.
[0070]
The memory cell array 11 includes a plurality of TMR elements 12 arranged in an array in the X direction, the Y direction, and the Z direction. Here, the Z direction means a direction perpendicular to the paper surface orthogonal to the X direction and the Y direction.
[0071]
In this example, the memory cell array 11 includes j + 1 TMR elements 12 arranged in the X direction, n + 1 TMR elements 12 arranged in the Y direction, and four TMR elements 12 stacked in the Z direction. The cell array structure is as follows. Although the number of TMR elements 12 stacked in the Z direction is four in this example, the number may be any number as long as it is plural.
[0072]
The four TMR elements 12 stacked in the Z direction are connected in series to each other to form one block BKik (i = 0, 1,... J, k = 0, 1,... N). Yes. The four TMR elements 12 in the block BKik actually overlap each other in the direction (Z direction) perpendicular to the paper surface.
[0073]
One ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to a ground point via a read selection switch (MOS transistor) RSW.
[0074]
In this example, one row is composed of j + 1 blocks BKik arranged in the X direction. The memory cell array 11 has n + 1 rows. Further, one column is constituted by n + 1 blocks BKik arranged in the Y direction. The memory cell array 11 has j + 1 columns.
[0075]
Near the four TMR elements 12 constituting the block BKik, a plurality (three in this example) of write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 extending in the X direction and stacked in the Z direction are arranged. Here, n is a row number, and n = 0, 1, 2,.
[0076]
With respect to the write word line extending in the X direction, for example, as shown in FIG. 217, one write word line can be arranged in one stage in one row. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction is four (WWL4n, WWL4n + 1, WWL4n + 2, WWL4n + 3), that is, the number of stages where the TMR elements 12 are stacked.
[0077]
As for the write bit line extending in the Y direction, for example, as shown in FIG. 217, one write bit line can be arranged in one stage in one column. In this case, the number of write bit lines in one column extending in the Y direction is four (BLj0, BLj1, BLj2, BLj3), that is, the same as the number of stages where the TMR elements 12 are stacked.
[0078]
However, in this example, at least one write word line in one row extending in the X direction is shared by two TMR elements (upper TMR element and lower TMR element). Specifically, in this example, the write word line WWL3n + 1 is shared by the second and third TMR elements. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction is reduced, and planarization of the insulating film immediately below the TMR element 12 and reduction in manufacturing cost can be realized.
[0079]
Considering the block structure, for example, as shown in FIG. 218, one write word line is shared by the first and second TMR elements, and one write word line is written by the third and fourth TMR elements. Word lines can also be shared. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction can be two (WWL2n, WWL2n + 1).
[0080]
Nevertheless, in this example, the number of write word lines in one row extending in the X direction is set to three because the positions of the write bit lines in one column extending in the Y direction are taken into consideration.
[0081]
That is, in this example, one write bit line BLj0 extending in the Y direction is arranged between the first stage TMR element 12 and the second stage TMR element 12, and the third stage TMR element 12 and the fourth stage TMR element 12 are connected. One write bit line BLj1 extending in the Y direction is arranged between the TMR elements 12.
[0082]
As a result, with respect to the write bit lines in one column extending in the Y direction, one write bit line is shared by the first and second TMR elements, and one write bit line is shared by the third and fourth TMR elements. Write bit lines are shared. In this case, the number of write bit lines in one column extending in the Y direction is two.
[0083]
In FIG. 1, the two write bit lines BLj0 and BLj1 are drawn so as to sandwich the four TMR elements 12 in the block BKjn because the TMR element 12 cannot be drawn in three dimensions. As described above, one write bit line BLj0 is disposed between the first stage TMR element and the second stage TMR element, and one line is provided between the third stage TMR element and the fourth stage TMR element. Write word line BLj1 is arranged.
[0084]
The specific structure of the TMR element in the block and its vicinity will be clarified in the description of the device structure described later.
[0085]
One end of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, WWL3n + 2 extending in the X direction is connected to the write word line driver 23A-n, and the other end is connected to the write word line sinker 24-n.
[0086]
The gate of the read selection switch RSW is connected to a read word line RWLn (n = 0, 1, 2,...). One read word line RWLn corresponds to one block BKjk in one column and is common to a plurality of blocks BKjk arranged in the X direction.
[0087]
For example, when one column is composed of four blocks, the number of read word lines RWLn is four. The read word line RWLn extends in the X direction, and one end thereof is connected to the read word line driver 23B-n.
[0088]
The row decoder 25-n selects one of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 based on the row address signal during the write operation. The write word line driver 23A-n supplies a write current to the selected write word line. The write current flows through the selected word line and is absorbed by the write word line sinker 24-n.
[0089]
The row decoder 25-n selects a block in one row based on, for example, an upper row address signal during a read operation. The read word line driver 23B-n supplies a read word line voltage to the read word line RWLn connected to the selected block BK. In the selected block BK, since the read selection switch RSW is turned on, the read current flows toward the ground point via the plurality of TMR elements in the selected block BK.
[0090]
The other ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to the read bit line BLj. One end of the read bit line BLj is connected to the common data line 28 via a column selection switch (MOS transistor) SWA. The common data line 28 is connected to a read circuit (including a sense amplifier) 29B.
[0091]
One ends of the write bit lines BLj0 and BLj1 are connected to a circuit block 29A including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0092]
The other ends of the write bit lines BLj0 and BLj1 are connected to a circuit block 31 including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0093]
A column selection line signal CSLj (j = 0, 1,...) Is input to the gate of the column selection switch SWA. The column decoder 32 outputs a column selection line signal CSLj.
[0094]
In the magnetic random access memory of this example, one column is composed of a plurality of blocks, and reading is performed in units of blocks. One block is composed of a plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages and connected in series to each other.
[0095]
With such a cell array structure, the TMR elements are three-dimensionally arranged on the semiconductor substrate, and one MOS transistor (read selection switch) may be associated with the plurality of TMR elements. This can contribute to an increase in memory capacity.
[0096]
(2) Device structure
Next, the device structure will be described.
2 and 3 show a device structure for one block of a magnetic random access memory as Structural Example 1 of the present invention.
[0097]
2 represents a cross section in the Y direction for one block of the magnetic random access memory, and FIG. 3 represents a cross section in the X direction for one block of the magnetic random access memory. The elements shown in FIGS. 2 and 3 are given the same reference numerals as those in FIG. 1 so as to correspond to the elements of the circuit in FIG.
[0098]
A read selection switch (MOS transistor) RSW is disposed on the surface region of the semiconductor substrate 41. The source of the read selection switch RSW is connected to the ground point via the source line SL. The source line SL extends, for example, in a straight line in the X direction.
[0099]
The gate of the read selection switch (MOS transistor) RSW is a read word line RWLn. The read word line RWLn extends in the X direction. On the read selection switch RSW, four TMR elements (MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements) MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are stacked.
[0100]
Each of the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 is disposed between the lower electrodes 41A1, 41A2, 41A3, 41A4 and the upper electrodes 41B1, 41B2, 41B3, 41B4. The contact plugs 42B, 42C, 42D, 42E, and 42F connect the four TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 to each other in series.
[0101]
The lower electrode 41A1 of the lowermost TMR element MTJ1 is connected to the drain of the read selection switch (MOS transistor) RSW via the contact plugs 42A and 42B and the intermediate layer 43. The upper electrode 41B4 of the uppermost TMR element MTJ4 is connected to the read bit line BLj extending in the Y direction via the contact plug 42F.
[0102]
Write word line WWL3n is disposed immediately below TMR element MTJ1, write word line WWL3n + 1 is disposed between TMR element MTJ2 and TMR element MTJ3, and write word line WWL3n + 2 is disposed immediately above TMR element MTJ4. . The write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 extend in the X direction.
[0103]
The write bit line BLj0 is disposed between the TMR element MTJ1 and the TMR element MTJ2, and the write bit line BLj1 is disposed between the TMR element MTJ3 and the TMR element MTJ4. The write bit lines BLj0 and BLj1 extend in the Y direction.
[0104]
According to such a device structure, a plurality of (in this example, four) TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are provided for one read selection switch RSW. These TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are stacked on the read selection switch RSW and connected in series with each other.
[0105]
In this case, for example, only one read bit line BLj may be provided in the uppermost layer. Further, at least one of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, WWL3n + 2 and the write bit lines BLj0, BLj1 can be shared by two TMR elements.
[0106]
Therefore, according to such a device structure, the TMR elements can be arranged on the semiconductor substrate at a high density, which can contribute to an increase in memory capacity. In addition, since the number of wirings (write word line, write bit line, read bit line, etc.) arranged in the array of TMR elements can be reduced, the planarization of the insulating film directly under the TMR element can be realized. The characteristics of the element can be improved.
[0107]
(3) Modification
A modification of Structural Example 1 will be described.
[0108]
4 and 5 show a first modification of the first structural example.
The circuit diagram of FIG. 4 corresponds to the circuit diagram of FIG. 1, and the cross-sectional view of the device structure of FIG. 5 corresponds to the cross-sectional view of the device structure of FIG. The structure of this example is different from the structure of FIGS. 1 to 3 in an element that realizes a read selection switch.
[0109]
That is, in the structure of FIGS. 1 to 3, the read selection switch is composed of a MOS transistor. On the other hand, in the structure of this example, the read selection switch is composed of a diode DI. Accordingly, read word lines RWL0,... RWLn are connected to the cathode of diode DI.
[0110]
When the structure of this example is employed, the read word line RWLi of the selected row is set to “L”, that is, the ground potential during the read operation. At this time, a read current can be supplied to a plurality of TMR elements connected in series constituting the selected row block.
[0111]
6 and 7 show a second modification of the first structural example.
The circuit diagram of FIG. 6 corresponds to the circuit diagram of FIG. 1, and the cross-sectional view of the device structure of FIG. 7 corresponds to the cross-sectional view of the device structure of FIG. The structure of this example is different from the structure shown in FIGS. 1 to 3 in the types of transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits.
[0112]
That is, in the structure of FIGS. 1 to 3, the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits are MOS transistors. On the other hand, in the structure of this example, the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits are bipolar transistors.
[0113]
In the case of the structure of this example, all of the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits may be bipolar transistors, or some of them may be bipolar transistors.
[0114]
(2) Structure example 2
Structural example 2 relates to a cell array structure in which a plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages are connected in parallel.
[0115]
(1) Circuit structure
First, the circuit structure will be described.
FIG. 8 shows the main part of a magnetic random access memory as Structural Example 2 of the present invention.
[0116]
The memory cell array 11 includes a plurality of TMR elements 12 arranged in an array in the X direction, the Y direction, and the Z direction. The Z direction refers to a direction perpendicular to the paper surface orthogonal to the X direction and the Y direction.
[0117]
The memory cell array 11 has a cell array structure including j + 1 TMR elements 12 arranged in the X direction, n + 1 TMR elements 12 arranged in the Y direction, and four TMR elements 12 stacked in the Z direction. Have. Although the number of TMR elements 12 stacked in the Z direction is four in this example, the number may be any number as long as it is plural.
[0118]
The four TMR elements 12 stacked in the Z direction are connected in parallel to each other to form one block BKik (i = 0, 1,... J, k = 0, 1,... N). Yes. The four TMR elements 12 in the block BKik actually overlap each other in the direction (Z direction) perpendicular to the paper surface.
[0119]
One ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to a ground point via a read selection switch (MOS transistor) RSW.
[0120]
In this example, one row is composed of j + 1 blocks BKik arranged in the X direction. The memory cell array 11 has n + 1 rows. Further, one column is constituted by n + 1 blocks BKik arranged in the Y direction. The memory cell array 11 has j + 1 columns.
[0121]
Near the four TMR elements 12 constituting the block BKik, a plurality (three in this example) of write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 extending in the X direction and stacked in the Z direction are arranged. Here, n is a row number, and n = 0, 1, 2,.
[0122]
With respect to the write word line extending in the X direction, for example, as shown in FIG. 219, one write word line can be arranged in one stage in one row. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction is four (WWL4n, WWL4n + 1, WWL4n + 2, WWL4n + 3), that is, the number of stages where the TMR elements 12 are stacked.
[0123]
As for the write bit line extending in the Y direction, for example, as shown in FIG. 219, one write bit line can be arranged in one stage in one column. In this case, the number of write bit lines in one column extending in the Y direction is four (BLj0, BLj1, BLj2, BLj3), that is, the same as the number of stages where the TMR elements 12 are stacked.
[0124]
However, in this example, at least one write word line in one row extending in the X direction is shared by two TMR elements (upper TMR element and lower TMR element). Specifically, in this example, the write word line WWL3n + 1 is shared by the second-stage TMR element and the third-stage TMR element. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction is reduced, and planarization of the insulating film immediately below the TMR element 12 and reduction in manufacturing cost can be realized.
[0125]
Considering the block structure, for example, as shown in FIG. 220, one write word line is shared by the first and second TMR elements, and one write is written by the third and fourth TMR elements. Word lines can also be shared. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction can be two (WWL2n, WWL2n + 1).
[0126]
Nevertheless, in this example, the number of write word lines in one row extending in the X direction is set to three because the positions of the write bit lines in one column extending in the Y direction are taken into consideration.
[0127]
That is, in this example, one write bit line BLj0 extending in the Y direction is arranged between the first stage TMR element 12 and the second stage TMR element 12, and the third stage TMR element 12 and the fourth stage TMR element 12 are connected. One write bit line BLj1 extending in the Y direction is arranged between the TMR elements 12.
[0128]
As a result, with respect to the write bit lines in one column extending in the Y direction, one write bit line is shared by the first and second TMR elements, and one write bit line is shared by the third and fourth TMR elements. Write bit lines are shared. In this case, the number of write bit lines in one column extending in the Y direction is two.
[0129]
In FIG. 8, the two write bit lines Bj0 and BLj1 are drawn so as to intersect the four TMR elements 12 in the block Bjn because the TMR element 12 cannot be drawn in three dimensions. Actually, as described above, one write bit line BLj0 is arranged between the first-stage TMR element and the second-stage TMR element, and 1 between the third-stage TMR element and the fourth-stage TMR element. Two write word lines BLj1 are arranged.
[0130]
The specific structure of the TMR element in the block and its vicinity will be clarified in the description of the device structure described later.
[0131]
One end of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, WWL3n + 2 extending in the X direction is connected to the write word line driver 23A-n, and the other end is connected to the write word line sinker 24-n.
[0132]
The gate of the read selection switch RSW is connected to a read word line RWLn (n = 0, 1, 2,...). One read word line RWLn corresponds to one block BKjk in one column and is common to a plurality of blocks BKjk arranged in the X direction.
[0133]
For example, when one column is composed of four blocks, the number of read word lines RWLn is four. The read word line RWLn extends in the X direction, and one end thereof is connected to the read word line driver 23B-n.
[0134]
The row decoder 25-n selects one of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 based on the row address signal during the write operation. The write word line driver 23A-n supplies a write current to the selected write word line. The write current flows through the selected word line and is absorbed by the write word line sinker 24-n.
[0135]
The row decoder 25-n selects a block in one row based on, for example, an upper row address signal during a read operation. The read word line driver 23B-n supplies a read word line voltage to the read word line RWLn connected to the selected block BK. In the selected block BK, since the read selection switch RSW is turned on, the read current flows toward the ground point via the plurality of TMR elements in the selected block BK.
[0136]
The other ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to the read bit line BLj. One end of the read bit line BLj is connected to the common data line 28 via a column selection switch (MOS transistor) SWA. The common data line 28 is connected to a read circuit (including a sense amplifier) 29B.
[0137]
One ends of the write bit lines BLj0 and BLj1 are connected to a circuit block 29A including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0138]
The other ends of the write bit lines BLj0 and BLj1 are connected to a circuit block 31 including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0139]
A column selection line signal CSLj (j = 0, 1,...) Is input to the gate of the column selection switch SWA. The column decoder 32 outputs a column selection line signal CSLj.
[0140]
In the magnetic random access memory of this example, one column is composed of a plurality of blocks, and reading is performed in units of blocks. One block is composed of a plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages and connected in parallel to each other.
[0141]
With such a cell array structure, the TMR elements are three-dimensionally arranged on the semiconductor substrate, and one MOS transistor (read selection switch) may be associated with the plurality of TMR elements. This can contribute to an increase in memory capacity.
[0142]
(2) Device structure
Next, the device structure will be described.
9 and 10 show the device structure of one block of the magnetic random access memory as Structural Example 2 of the present invention.
[0143]
9 represents a cross section in the Y direction for one block of the magnetic random access memory, and FIG. 10 represents a cross section in the X direction for one block of the magnetic random access memory. The elements shown in FIGS. 9 and 10 are given the same reference numerals as those in FIG. 8 so as to correspond to the elements of the circuit in FIG.
[0144]
A read selection switch (MOS transistor) RSW is disposed on the surface region of the semiconductor substrate 41. The source of the read selection switch RSW is connected to the ground point via the source line SL. The source line SL extends, for example, in a straight line in the X direction.
[0145]
The gate of the read selection switch (MOS transistor) RSW is a read word line RWLn. The read word line RWLn extends in the X direction. On the read selection switch RSW, four TMR elements (MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements) MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are stacked.
[0146]
Each of the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 is disposed between the lower electrodes 41A1, 41A2, 41A3, 41A4 and the upper electrodes 41B1, 41B2, 41B3, 41B4. The contact plugs 42C1, 42C2, 42D1, 42D2, 42E1, and 42E2 connect the four TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 to each other in parallel.
[0147]
The lower electrode 41A1 of the lowermost TMR element MTJ1 is connected to the drain of the read selection switch (MOS transistor) RSW via the contact plugs 42A and 42B and the intermediate layer 43. The upper electrode 41B4 of the uppermost TMR element MTJ4 is connected to the read bit line BLj extending in the Y direction via the contact plug 42F.
[0148]
Write word line WWL3n is disposed immediately below TMR element MTJ1, write word line WWL3n + 1 is disposed between TMR element MTJ2 and TMR element MTJ3, and write word line WWL3n + 2 is disposed immediately above TMR element MTJ4. . The write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 extend in the X direction.
[0149]
The write bit line BLj0 is disposed between the TMR element MTJ1 and the TMR element MTJ2, and the write bit line BLj1 is disposed between the TMR element MTJ3 and the TMR element MTJ4. The write bit lines BLj0 and BLj1 extend in the Y direction.
[0150]
According to such a device structure, a plurality of (in this example, four) TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are provided for one read selection switch RSW. These TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are stacked on the read selection switch RSW and connected in parallel to each other.
[0151]
In this case, for example, only one read bit line BLj may be provided in the uppermost layer. Further, at least one of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, WWL3n + 2 and the write bit lines BLj0, BLj1 can be shared by two TMR elements.
[0152]
Therefore, according to such a device structure, the TMR elements can be arranged on the semiconductor substrate at a high density, which can contribute to an increase in memory capacity. In addition, since the number of wirings (write word line, write bit line, read bit line, etc.) arranged in the array of TMR elements can be reduced, the planarization of the insulating film directly under the TMR element can be realized. The characteristics of the element can be improved.
[0153]
(3) Modification
A modification of Structural Example 2 will be described.
[0154]
FIG. 11 shows a first modification of the structural example 2.
This figure corresponds to FIG. The device structure of this example is different from the device structure of FIG. 9 in that the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are stacked.
[0155]
That is, in the device structure of FIG. 9, the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are stacked on the gate electrode of the read selection switch (MOS transistor) RSW, that is, immediately above the read word line RWLn.
[0156]
In this case, the lower electrodes 41A1, 41A3 and the upper electrodes 41B2, 41B4 extend from the TMR element to one side, and the lower electrodes 41A2, 41A4 and the upper electrodes 41B1, 41B3 extend from the TMR element to the other side. In addition, contact portions for the lower electrode and the upper electrode are provided on both sides of the TMR element.
[0157]
On the other hand, in the device structure of this example, the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 are stacked immediately above the source line SL connected to the source of the read selection switch (MOS transistor) RSW.
[0158]
In this case, the lower electrodes 41A1, 41A2, 41A3, 41A4 and the upper electrodes 41B1, 41B2, 41B3, 41B4 all spread from the TMR element to one side. Further, contact portions for the lower electrode and the upper electrode are provided only on one side of the TMR element.
[0159]
FIG. 12 is a plan view showing the positional relationship between the TMR element, the lower electrode, and the upper electrode in the device structure of FIG.
In this example, the shapes of the lower electrodes 41A1, 41A3 and the upper electrodes 41B2, 41B4 are different from the shapes of the lower electrodes 41A2, 41A4 and the upper electrodes 41B1, 41B3. Further, parts of the lower electrodes 41A1, 41A3 and the upper electrodes 41B2, 41B4, that is, portions overlapping the lower electrodes 41A2, 41A4 and the upper electrodes 41B1, 41B3 are removed.
[0160]
13 and 14 show a second modification of the second structural example.
The circuit diagram of FIG. 13 corresponds to the circuit diagram of FIG. 8, and the cross-sectional view of the device structure of FIG. 14 corresponds to the cross-sectional view of the device structure of FIG. The structure of this example is different from the structure of FIGS. 8 to 10 in an element that realizes a read selection switch.
[0161]
That is, in the structure of FIGS. 8 to 10, the read selection switch is composed of a MOS transistor. On the other hand, in the structure of this example, the read selection switch is composed of a diode DI. Accordingly, read word lines RWL0,... RWLn are connected to the cathode of diode DI.
[0162]
When the structure of this example is employed, the read word line RWLi of the selected row is set to “L”, that is, the ground potential during the read operation. At this time, a read current can be supplied to a plurality of TMR elements connected in series constituting the selected row block.
[0163]
15 and 16 show a third modification of the second structural example.
The circuit diagram of FIG. 15 corresponds to the circuit diagram of FIG. 8, and the cross-sectional view of the device structure of FIG. 16 corresponds to the cross-sectional view of the device structure of FIG. The structure of this example is different from the structure of FIGS. 8 to 10 in the types of transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits.
[0164]
That is, in the structures of FIGS. 8 to 10, the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits are MOS transistors. On the other hand, in the structure of this example, the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits are bipolar transistors.
[0165]
In the case of the structure of this example, all of the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits may be bipolar transistors, or some of them may be bipolar transistors.
[0166]
(3) Structural example 3
Structural example 3 relates to a cell array structure in which a plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages are connected in series and parallel.
[0167]
(1) Circuit structure
First, the circuit structure will be described.
FIG. 17 shows a main part of a magnetic random access memory as Structural Example 3 of the present invention.
[0168]
The memory cell array 11 includes a plurality of TMR elements 12 arranged in an array in the X direction, the Y direction, and the Z direction. The Z direction refers to a direction perpendicular to the paper surface orthogonal to the X direction and the Y direction.
[0169]
The memory cell array 11 has a cell array structure including j + 1 TMR elements 12 arranged in the X direction, n + 1 TMR elements 12 arranged in the Y direction, and four TMR elements 12 stacked in the Z direction. Have. Although the number of TMR elements 12 stacked in the Z direction is four in this example, the number may be any number as long as it is plural.
[0170]
The four TMR elements 12 stacked in the Z direction are connected in series and in parallel to form one block BKik (i = 0, 1,... J, k = 0, 1,... N). ing. The four TMR elements 12 in the block BKik actually overlap each other in the direction (Z direction) perpendicular to the paper surface.
[0171]
Here, in this example, when the four TMR elements 12 in the block BKik are first to fourth TMR elements, the first and second TMR elements are connected in parallel, and the third and fourth TMR elements are connected in parallel. The first and second TMR elements connected in parallel with the first and second TMR elements connected in parallel are connected in series with each other.
[0172]
One ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to a ground point via a read selection switch (MOS transistor) RSW.
[0173]
In this example, one row is composed of j + 1 blocks BKik arranged in the X direction. The memory cell array 11 has n + 1 rows. Further, one column is constituted by n + 1 blocks BKik arranged in the Y direction. The memory cell array 11 has j + 1 columns.
[0174]
Near the four TMR elements 12 constituting the block BKik, a plurality (three in this example) of write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 extending in the X direction and stacked in the Z direction are arranged. Here, n is a row number, and n = 0, 1, 2,.
[0175]
With respect to the write word line extending in the X direction, for example, as shown in FIG. 221, one write word line can be arranged in one stage in one row. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction is four (WWL4n, WWL4n + 1, WWL4n + 2, WWL4n + 3), that is, the number of stages where the TMR elements 12 are stacked.
[0176]
As for the write bit line extending in the Y direction, for example, as shown in FIG. 221, one write bit line can be arranged in one stage in one column. In this case, the number of write bit lines in one column extending in the Y direction is four (BLj0, BLj1, BLj2, BLj3), that is, the same as the number of stages where the TMR elements 12 are stacked.
[0177]
However, in this example, at least one write word line in one row extending in the X direction is shared by two TMR elements (upper TMR element and lower TMR element). Specifically, in this example, the write word line WWL3n + 1 is shared by the second-stage TMR element and the third-stage TMR element. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction is reduced, and planarization of the insulating film immediately below the TMR element 12 and reduction in manufacturing cost can be realized.
[0178]
Considering the block structure, for example, as shown in FIG. 222, the first and second TMR elements share one write word line, and the third and fourth TMR elements share one write. Word lines can also be shared. In this case, the number of write word lines in one row extending in the X direction can be two (WWL2n, WWL2n + 1).
[0179]
Nevertheless, in this example, the number of write word lines in one row extending in the X direction is set to three because the positions of the write bit lines in one column extending in the Y direction are taken into consideration.
[0180]
That is, in this example, one write bit line BLj0 extending in the Y direction is arranged between the first stage TMR element 12 and the second stage TMR element 12, and the third stage TMR element 12 and the fourth stage TMR element 12 are connected. One write bit line BLj1 extending in the Y direction is arranged between the TMR elements 12.
[0181]
As a result, with respect to the write bit lines in one column extending in the Y direction, one write bit line is shared by the first and second TMR elements, and one write bit line is shared by the third and fourth TMR elements. Write bit lines are shared. In this case, the number of write bit lines in one column extending in the Y direction is two.
[0182]
In FIG. 17, the two write bit lines Bj0 and BLj1 are drawn so as to intersect the four TMR elements 12 in the block Bjn because the TMR element 12 cannot be drawn in three dimensions. Actually, as described above, one write bit line BLj0 is arranged between the first-stage TMR element and the second-stage TMR element, and 1 between the third-stage TMR element and the fourth-stage TMR element. Two write word lines BLj1 are arranged.
[0183]
The specific structure of the TMR element in the block and its vicinity will be clarified in the description of the device structure described later.
[0184]
One end of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, WWL3n + 2 extending in the X direction is connected to the write word line driver 23A-n, and the other end is connected to the write word line sinker 24-n.
[0185]
The gate of the read selection switch RSW is connected to a read word line RWLn (n = 0, 1, 2,...). One read word line RWLn corresponds to one block BKjk in one column and is common to a plurality of blocks BKjk arranged in the X direction.
[0186]
For example, when one column is composed of four blocks, the number of read word lines RWLn is four. The read word line RWLn extends in the X direction, and one end thereof is connected to the read word line driver 23B-n.
[0187]
The row decoder 25-n selects one of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 based on the row address signal during the write operation. The write word line driver 23A-n supplies a write current to the selected write word line. The write current flows through the selected word line and is absorbed by the write word line sinker 24-n.
[0188]
The row decoder 25-n selects a block in one row based on, for example, an upper row address signal during a read operation. The read word line driver 23B-n supplies a read word line voltage to the read word line RWLn connected to the selected block BK. In the selected block BK, since the read selection switch RSW is turned on, the read current flows toward the ground point via the plurality of TMR elements in the selected block BK.
[0189]
The other ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to the read bit line BLj. One end of the read bit line BLj is connected to the common data line 28 via a column selection switch (MOS transistor) SWA. The common data line 28 is connected to a read circuit (including a sense amplifier) 29B.
[0190]
One ends of the write bit lines BLj0 and BLj1 are connected to a circuit block 29A including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0191]
The other ends of the write bit lines BLj0 and BLj1 are connected to a circuit block 31 including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0192]
A column selection line signal CSLj (j = 0, 1,...) Is input to the gate of the column selection switch SWA. The column decoder 32 outputs a column selection line signal CSLj.
[0193]
In the magnetic random access memory of this example, one column is composed of a plurality of blocks, and reading is performed in units of blocks. One block is composed of a plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages and connected in series and parallel to each other.
[0194]
With such a cell array structure, the TMR elements are three-dimensionally arranged on the semiconductor substrate, and one MOS transistor (read selection switch) may be associated with the plurality of TMR elements. This can contribute to an increase in memory capacity.
[0195]
(2) Device structure
Next, the device structure will be described.
FIG. 18 shows a device structure for one block of a magnetic random access memory as Structural Example 3 of the present invention.
[0196]
FIG. 18 shows a cross section in the Y direction for one block of the magnetic random access memory. Elements shown in FIG. 18 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 17 so as to correspond to the elements of the circuit in FIG.
[0197]
A read selection switch (MOS transistor) RSW is disposed on the surface region of the semiconductor substrate 41. The source of the read selection switch RSW is connected to the ground point via the source line SL. The source line SL extends, for example, in a straight line in the X direction.
[0198]
The gate of the read selection switch (MOS transistor) RSW is a read word line RWLn. The read word line RWLn extends in the X direction. On the read selection switch RSW, four TMR elements (MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements) MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are stacked.
[0199]
Each of the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 is disposed between the lower electrodes 41A1, 41A2, 41A3, 41A4 and the upper electrodes 41B1, 41B2, 41B3, 41B4. The contact plugs 42C1, 42C2, 42D1, 42E1, and 42E2 connect the four TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 in series and parallel to each other.
[0200]
The lower electrode 41A1 of the lowermost TMR element MTJ1 is connected to the drain of the read selection switch (MOS transistor) RSW via the contact plugs 42A and 42B and the intermediate layer 43. The upper electrode 41B4 of the uppermost TMR element MTJ4 is connected to the read bit line BLj extending in the Y direction via the contact plug 42F.
[0201]
Write word line WWL3n is disposed immediately below TMR element MTJ1, write word line WWL3n + 1 is disposed between TMR element MTJ2 and TMR element MTJ3, and write word line WWL3n + 2 is disposed immediately above TMR element MTJ4. . The write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 extend in the X direction.
[0202]
The write bit line BLj0 is disposed between the TMR element MTJ1 and the TMR element MTJ2, and the write bit line BLj1 is disposed between the TMR element MTJ3 and the TMR element MTJ4. The write bit lines BLj0 and BLj1 extend in the Y direction.
[0203]
According to such a device structure, a plurality of (in this example, four) TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are provided for one read selection switch RSW. These TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are stacked on the read selection switch RSW and are connected in series and parallel to each other.
[0204]
In this case, for example, only one read bit line BLj may be provided in the uppermost layer. Further, at least one of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, WWL3n + 2 and the write bit lines BLj0, BLj1 can be shared by two TMR elements.
[0205]
Therefore, according to such a device structure, the TMR elements can be arranged on the semiconductor substrate at a high density, which can contribute to an increase in memory capacity. In addition, since the number of wirings (write word line, write bit line, read bit line, etc.) arranged in the array of TMR elements can be reduced, the planarization of the insulating film directly under the TMR element can be realized. The characteristics of the element can be improved.
[0206]
(3) Modification
A modification of Structural Example 3 will be described.
[0207]
19 and 20 show a first modification of the structure example 3. FIG.
The circuit diagram of FIG. 19 corresponds to the circuit diagram of FIG. 17, and the cross-sectional view of the device structure of FIG. 20 corresponds to the cross-sectional view of the device structure of FIG. The structure of this example is different from the structure of FIGS. 17 and 18 in an element that realizes a read selection switch.
[0208]
That is, in the structure of FIGS. 17 and 18, the read selection switch is composed of a MOS transistor. On the other hand, in the structure of this example, the read selection switch is composed of a diode DI. Accordingly, read word lines RWL0,... RWLn are connected to the cathode of diode DI.
[0209]
When the structure of this example is employed, the read word line RWLi of the selected row is set to “L”, that is, the ground potential during the read operation. At this time, a read current can be supplied to a plurality of TMR elements connected in series constituting the selected row block.
[0210]
21 and 22 show a second modification of the third structural example.
The circuit diagram of FIG. 21 corresponds to the circuit diagram of FIG. 17, and the cross-sectional view of the device structure of FIG. 22 corresponds to the cross-sectional view of the device structure of FIG. The structure of this example is different from the structures of FIGS. 17 and 18 in the types of transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits.
[0211]
That is, in the structures of FIGS. 17 and 18, the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits are MOS transistors. On the other hand, in the structure of this example, the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits are bipolar transistors.
[0212]
In the case of the structure of this example, all of the transistors constituting the memory cell array 11 and its peripheral circuits may be bipolar transistors, or some of them may be bipolar transistors.
[0213]
(4) Structural example 4
Structure example 4 is an improved example of structure examples 1 to 3. Structural Example 4 can be used in combination with Structural Examples 1 to 3.
[0214]
In Structure Example 4, the write lines in one row extending in the Y direction of the memory cell array have a folded structure (meander structure) or a parallel connection structure, so that the number of write lines in one row is substantially one. It has the feature in the point.
[0215]
According to such a structure, the number of write drivers / sinkers connected to the write lines in one row can be reduced, so that the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area.
[0216]
(1) Circuit structure
First, the circuit structure will be described.
23 to 25 show the main part of a magnetic random access memory as Structural Example 4 of the present invention.
23 is an example in which the structural example 4 is applied to the structural example 1 in FIG. 1, FIG. 24 is an example in which the structural example 4 is applied to the structural example 2 in FIG. 8, and FIG. It is an example applied to the structural example 3 of FIG.
[0217]
The memory cell array 11 includes a plurality of TMR elements 12 arranged in an array in the X direction, the Y direction, and the Z direction. The Z direction refers to a direction perpendicular to the paper surface orthogonal to the X direction and the Y direction.
[0218]
The memory cell array 11 has a cell array structure including j + 1 TMR elements 12 arranged in the X direction, n + 1 TMR elements 12 arranged in the Y direction, and four TMR elements 12 stacked in the Z direction. Have. Although the number of TMR elements 12 stacked in the Z direction is four in this example, the number may be any number as long as it is plural.
[0219]
The four TMR elements 12 stacked in the Z direction are connected to each other in series (FIG. 23), parallel (FIG. 24), or series-parallel (FIG. 25), and one block BKik (i = 0, 1,... J, k = 0, 1,... N). The four TMR elements 12 in the block BKik actually overlap each other in the direction (Z direction) perpendicular to the paper surface.
[0220]
One ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to a ground point via a read selection switch (MOS transistor) RSW.
[0221]
In this example, one row is composed of j + 1 blocks BKik arranged in the X direction. The memory cell array 11 has n + 1 rows. Further, one column is constituted by n + 1 blocks BKik arranged in the Y direction. The memory cell array 11 has j + 1 columns.
[0222]
In the vicinity of the four TMR elements 12 constituting the block BKik, a plurality of write word lines extending in the X direction and stacked in the Z direction are arranged. The plurality of write word lines are connected in series to each other at the end of the memory cell array 11 to form one write word line WWLn. Overall, the write word line WWLn is arranged in a winding manner so as to sew the inside of the memory cell array 11.
[0223]
Such a structure of the write word line is called a folded structure (or a meander structure).
[0224]
According to the folded structure (or meandering structure), substantially only one write word line WWLn is arranged in one row, so that the write driver / connected to the write word line WWLn in one row The number of elements constituting the sinkers 23A-n and 24-n can be reduced. Therefore, the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area.
[0225]
Considering the block structure, as shown in FIGS. 223 to 225, the write word lines WWLn are respectively provided between the first and second TMR elements and between the third and fourth TMR elements. , The length of the write word line WWLn can be shortened.
[0226]
However, in this example, the write word line WWLn having the folded structure is directly below the bottom TMR element, between the second stage TMR element and the third stage TMR element, and immediately above the top stage TMR element. , Respectively.
[0227]
The reason for this structure is that the position of the write bit line in one column extending in the Y direction is taken into consideration.
[0228]
That is, one write bit line BLj0 extending in the Y direction is arranged between the first-stage TMR element 12 and the second-stage TMR element 12, and the third-stage TMR element 12 and the fourth-stage TMR element 12 One write bit line BLj1 extending in the Y direction is arranged therebetween.
[0229]
As a result, with respect to the write bit lines in one column extending in the Y direction, one write bit line is shared by the first and second TMR elements, and one write bit line is shared by the third and fourth TMR elements. Write bit lines are shared. In this case, the number of write bit lines in one column extending in the Y direction is two.
[0230]
23 to 25, the two write bit lines Bj0 and BLj1 are drawn so as to be parallel or intersecting with the four TMR elements 12 in the block Bjn because the TMR element 12 cannot be drawn three-dimensionally. In reality, however, as described above, one write bit line BLj0 is arranged between the first-stage TMR element and the second-stage TMR element, and the third-stage TMR element and the fourth-stage TMR element. One write word line BLj1 is arranged between the elements.
[0231]
One end of the write word line WWLn extending in the X direction is connected to the write word line driver 23A-n, and the other end is connected to the write word line sinker 24-n.
[0232]
The gate of the read selection switch RSW is connected to a read word line RWLn (n = 0, 1, 2,...). One read word line RWLn corresponds to one block BKjk in one column and is common to a plurality of blocks BKjk arranged in the X direction.
[0233]
For example, when one column is composed of four blocks, the number of read word lines RWLn is four. The read word line RWLn extends in the X direction, and one end thereof is connected to the read word line driver 23B-n.
[0234]
The row decoder 25-n selects one of the write word lines WWL0,... WWLn based on the row address signal during the write operation. The write word line driver 23A-n supplies a write current to the selected write word line. The write current flows through the selected word line and is absorbed by the write word line sinker 24-n.
[0235]
The row decoder 25-n selects a block in one row based on, for example, an upper row address signal during a read operation. The read word line driver 23B-n supplies a read word line voltage to the read word line RWLn connected to the selected block BK. In the selected block BK, since the read selection switch RSW is turned on, the read current flows toward the ground point via the plurality of TMR elements in the selected block BK.
[0236]
The other ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to the read bit line BLj. One end of the read bit line BLj is connected to the common data line 28 via a column selection switch (MOS transistor) SWA. The common data line 28 is connected to a read circuit (including a sense amplifier) 29B.
[0237]
One ends of the write bit lines BLj0 and BLj1 are connected to a circuit block 29A including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0238]
The other ends of the write bit lines BLj0 and BLj1 are connected to a circuit block 31 including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0239]
A column selection line signal CSLj (j = 0, 1,...) Is input to the gate of the column selection switch SWA. The column decoder 32 outputs a column selection line signal CSLj.
[0240]
In the magnetic random access memory of this example, one column is composed of a plurality of blocks, and reading is performed in units of blocks. One block is composed of a plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages and connected in series, parallel, or series-parallel to each other.
[0241]
With such a cell array structure, the TMR elements 12 are three-dimensionally arranged on the semiconductor substrate, and one MOS transistor (read selection switch) RSW may correspond to the plurality of TMR elements 12. As a result, the memory capacity can be increased.
[0242]
In the magnetic random access memory of this example, since the write word line WWLn has a folded structure (or a meandering structure), substantially only one write word line WWLn is arranged in one row. The
[0243]
Therefore, the number of elements constituting the write driver / sinkers 23A-n and 24-n connected to the write word line WWLn in one row can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area. .
[0244]
(2) Device structure
Next, the device structure will be described.
FIG. 26 shows a device structure for one block of the magnetic random access memory as Structural Example 4 of the present invention.
[0245]
FIG. 26 shows a Y-direction cross section of one block of the magnetic random access memory. Elements shown in FIG. 26 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 23 to 25 so as to correspond to the elements of the circuits in FIGS.
[0246]
In the figure, in order to clarify the characteristics of the structural example 4, all members other than the write word line WWLn are omitted in the memory cell array 11.
[0247]
On the memory cell array 11, wirings constituting the write word line WWLn are stacked in three stages. These wirings are connected to each other by contact plugs at the end of the memory cell array 11. As a result, the write word line WWLn has a folded structure (or a meandering structure) on the memory cell array 11.
[0248]
One end of the write word line WWLn is connected to the write word line driver 23A-n, and the other end is connected to the write word line sinker 24-n.
[0249]
In this example, since the wirings constituting the write word line WWLn are stacked in three stages (odd stages), the position of the write word line driver 23A-n and the position of the write word line sinker 24-n are in the memory cell array 11. The positions are opposite to each other.
[0250]
If the wirings constituting the write word line WWLn are stacked in four stages (a plurality of stages), the write word line driver 23A-n and the write word line sinker 24-n are in the same direction with respect to the memory cell array 11. Placed in.
[0251]
According to such a device structure, since the write word line WWLn has a folded structure (or a meandering structure), substantially only one write word line WWLn is arranged in one row.
[0252]
Accordingly, the number of elements constituting the write word line drivers / sinkers 23A-n and 24-n connected to the write word line WWLn in one row can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area. Can do.
[0253]
(3) Modification
A modification of the device structure of Structural Example 4 will be described.
[0254]
FIG. 27 shows a device structure for one block of a magnetic random access memory as Structural Example 4 of the present invention.
[0255]
FIG. 27 shows a cross section in the Y direction for one block of the magnetic random access memory. The elements shown in FIG. 27 are given the same reference numerals as those in FIGS. 23 to 25 so as to correspond to the elements of the circuits in FIGS.
[0256]
In the figure, in order to clarify the characteristics of the structural example 4, all members other than the write word line WWLn are omitted in the memory cell array 11.
[0257]
On the memory cell array 11, wirings constituting the write word line WWLn are stacked in three stages. These wirings are connected to each other by contact plugs at the end of the memory cell array 11. As a result, the write word line WWLn has a structure (parallel connection structure) connected in parallel on the memory cell array 11.
[0258]
One end of the write word line WWLn is connected to the write word line driver 23A-n, and the other end is connected to the write word line sinker 24-n.
[0259]
In this example, the wirings constituting the write word line WWLn are stacked in three stages, but if there are a plurality of stages (two or more stages), how many stages the wirings constituting the write word line WWLn are stacked. But it doesn't matter at all.
[0260]
According to such a device structure, since the write word line WWLn has a parallel connection structure, substantially only one write word line WWLn is arranged in one row.
[0261]
Accordingly, the number of elements constituting the write word line drivers / sinkers 23A-n and 24-n connected to the write word line WWLn in one row can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area. Can do.
[0262]
(4) Structural example 5
Structure example 5 is an improved example of structure examples 1 to 3. Structure Example 5 can be used in combination with Structure Examples 1 to 3.
[0263]
In Structural Example 5, the write lines in one column extending in the X direction of the memory cell array have a folded structure (meander structure) or a parallel connection structure, so that the number of write lines in one column is substantially one. It has the feature in the point.
[0264]
According to such a structure, the number of write drivers / sinkers connected to the write lines in one column can be reduced, so that the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area.
[0265]
(1) Circuit structure
First, the circuit structure will be described.
28 to 30 show the main part of a magnetic random access memory as Structural Example 5 of the present invention.
FIG. 28 is an example in which the structural example 5 is applied to the structural example 1 in FIG. 1, FIG. 29 is an example in which the structural example 5 is applied to the structural example 2 in FIG. 8, and FIG. It is an example applied to the structural example 3 of FIG.
[0266]
The memory cell array 11 includes a plurality of TMR elements 12 arranged in an array in the X direction, the Y direction, and the Z direction. The Z direction refers to a direction perpendicular to the paper surface orthogonal to the X direction and the Y direction.
[0267]
The memory cell array 11 has a cell array structure including j + 1 TMR elements 12 arranged in the X direction, n + 1 TMR elements 12 arranged in the Y direction, and four TMR elements 12 stacked in the Z direction. Have. Although the number of TMR elements 12 stacked in the Z direction is four in this example, the number may be any number as long as it is plural.
[0268]
The four TMR elements 12 stacked in the Z direction are connected to each other in series (FIG. 28), in parallel (FIG. 29), or in series parallel (FIG. 30), and one block BKik (i = 0, 1,... J, k = 0, 1,... N). The four TMR elements 12 in the block BKik actually overlap each other in the direction (Z direction) perpendicular to the paper surface.
[0269]
One ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to a ground point via a read selection switch (MOS transistor) RSW.
[0270]
In this example, one row is composed of j + 1 blocks BKik arranged in the X direction. The memory cell array 11 has n + 1 rows. Further, one column is constituted by n + 1 blocks BKik arranged in the Y direction. The memory cell array 11 has j + 1 columns.
[0271]
In the vicinity of the four TMR elements 12 constituting the block BKik, a plurality of write word lines WWL3n, WWL3n + 1, WWL3n + 2 extending in the X direction and stacked in the Z direction are arranged.
[0272]
The write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 are arranged immediately below the bottom TMR element, between the second stage TMR element and the third stage TMR element, and directly above the top stage TMR element, respectively.
[0273]
In view of the block structure, as shown in FIGS. 226 to 228, write word lines are respectively provided between the first and second TMR elements and between the third and fourth TMR elements. If arranged, the length of the write word line can be shortened.
[0274]
However, in this example, the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 are directly below the bottom TMR element, between the second stage TMR element and the third stage TMR element, and immediately above the top stage TMR element. , Respectively.
[0275]
The reason for this structure is that the position of the write bit line in one column extending in the Y direction is taken into consideration.
[0276]
That is, a write bit line extending in the Y direction is disposed between the first stage TMR element 12 and the second stage TMR element 12, and the Y direction is provided between the third stage TMR element 12 and the fourth stage TMR element 12. A write bit line extending to is arranged.
[0277]
The plurality of write bit lines are connected in series at the end of the memory cell array 11 to form one write bit line BLj1. Overall, the write bit line BLj1 is arranged to be bent so as to sew the inside of the memory cell array 11.
[0278]
Such a structure of the write bit line is referred to as a folded structure (or a meander structure).
[0279]
According to the folded structure (or the meandering structure), substantially only one write bit line BLj1 is arranged in one column, so that the write driver / connected to the write bit line BLj1 in one column The number of elements constituting the sinker 31 can be reduced. Therefore, the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area.
[0280]
In FIG. 28 to FIG. 30, the write bit line Bj1 having the folded structure is drawn so as to be parallel or intersecting with the four TMR elements 12 in the block Bjn because the TMR element 12 cannot be drawn three-dimensionally. Actually, however, as described above, the write bit line BLj1 is arranged between the first-stage TMR element and the second-stage TMR element, and between the third-stage TMR element and the fourth-stage TMR element. Is done.
[0281]
One end of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, WWL3n + 2 extending in the X direction is connected to the write word line driver 23A-n, and the other end is connected to the write word line sinker 24-n.
[0282]
The gate of the read selection switch RSW is connected to a read word line RWLn (n = 0, 1, 2,...). One read word line RWLn corresponds to one block BKjk in one column and is common to a plurality of blocks BKjk arranged in the X direction.
[0283]
For example, when one column is composed of four blocks, the number of read word lines RWLn is four. The read word line RWLn extends in the X direction, and one end thereof is connected to the read word line driver 23B-n.
[0284]
The row decoder 25-n selects one of the write word lines WWL3n, WWL3n + 1, and WWL3n + 2 based on the row address signal during the write operation. The write word line driver 23A-n supplies a write current to the selected write word line. The write current flows through the selected word line and is absorbed by the write word line sinker 24-n.
[0285]
The row decoder 25-n selects a block in one row based on, for example, an upper row address signal during a read operation. The read word line driver 23B-n supplies a read word line voltage to the read word line RWLn connected to the selected block BK. In the selected block BK, since the read selection switch RSW is turned on, the read current flows toward the ground point via the plurality of TMR elements in the selected block BK.
[0286]
The other ends of the four TMR elements 12 in the block BKik are connected to the read bit line BLj. One end of the read bit line BLj is connected to the common data line 28 via a column selection switch (MOS transistor) SWA. The common data line 28 is connected to a read circuit (including a sense amplifier) 29B.
[0287]
One end and the other end of the write bit line BLj1 are connected to a circuit block 31 including a write bit line driver and a write bit line sinker.
[0288]
A column selection line signal CSLj (j = 0, 1,...) Is input to the gate of the column selection switch SWA. The column decoder 32 outputs a column selection line signal CSLj.
[0289]
In the magnetic random access memory of this example, one column is composed of a plurality of blocks, and reading is performed in units of blocks. One block is composed of a plurality of TMR elements stacked in a plurality of stages and connected in series, parallel, or series-parallel to each other.
[0290]
With such a cell array structure, the TMR elements 12 are three-dimensionally arranged on the semiconductor substrate, and one MOS transistor (read selection switch) RSW may correspond to the plurality of TMR elements 12. As a result, the memory capacity can be increased.
[0291]
In the magnetic random access memory of this example, since the write bit line BLj1 has a folded structure (or a meandering structure), substantially only one write bit line BLj1 is arranged in one column. The
[0292]
Therefore, the number of elements constituting the write driver / sinker 31 connected to the write bit BLj1 in one column can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area.
[0293]
(2) Device structure
Next, the device structure will be described.
FIG. 31 shows a device structure for one block of a magnetic random access memory as Structural Example 5 of the present invention.
[0294]
FIG. 31 shows a cross section in the Y direction for one block of the magnetic random access memory. Elements shown in FIG. 31 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 28 to 30 so as to correspond to the elements of the circuits in FIGS.
[0295]
In the figure, in order to clarify the characteristics of the structural example 5, all members other than the write bit line BLj1 and the read bit line BLj are omitted in the memory cell array 11.
[0296]
On the memory cell array 11, wirings constituting the write bit line BLj1 are stacked in two stages. These wirings are connected to each other by contact plugs at the end of the memory cell array 11. As a result, the write bit line BLj1 has a folded structure (or a meandering structure) on the memory cell array 11.
[0297]
One end and the other end of the write bit line BLj1 are connected to the write bit line driver / sinker 31, respectively.
[0298]
In this example, since the wirings constituting the write bit line BLj1 are stacked in two stages (even stages), the write bit line driver / sinker is disposed only on one end side of the memory cell array 11.
[0299]
Assuming that the wirings constituting the write bit line BLj1 are stacked in three stages (odd stages), the write bit line drivers / sinkers are arranged on both ends of the memory cell array 11, respectively.
[0300]
According to such a device structure, since the write bit line BLj1 has a folded structure (or a meandering structure), substantially only one write bit line BLj1 is arranged in one column.
[0301]
Therefore, the number of elements constituting the write bit line driver / sinker 31 connected to the write bit line BLj1 in one column can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area.
[0302]
(3) Modification
A modified example of the device structure of Structural Example 5 will be described.
[0303]
FIG. 32 shows the device structure of one block of the magnetic random access memory as Structural Example 5 of the present invention.
[0304]
FIG. 32 shows a cross section in the Y direction for one block of the magnetic random access memory. Elements shown in FIG. 32 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 28 to 30 so as to correspond to the elements of the circuits in FIGS.
[0305]
In the figure, all members other than the write bit line BLj1 are omitted in the memory cell array 11 in order to clarify the characteristics of the structural example 5.
[0306]
On the memory cell array 11, wirings constituting the write bit line BLj1 are stacked in two stages. These wirings are connected to each other by contact plugs at the end of the memory cell array 11. As a result, the write bit line BLj1 has a structure (parallel connection structure) connected in parallel on the memory cell array 11.
[0307]
One end and the other end of the write bit line BLj1 are both connected to the write bit line driver / sinker 31.
[0308]
In this example, the wirings constituting the write bit line BLj1 are stacked in two stages, but if there are a plurality of stages (two or more stages), how many stages the wirings constituting the write bit line BLj1 are stacked. But it doesn't matter at all.
[0309]
According to such a device structure, since the write bit line BLj1 has a parallel connection structure, substantially only one write bit line BLj1 is arranged in one column.
[0310]
Therefore, the number of elements constituting the write bit line driver / sinker 31 connected to the write bit line BLj1 in one column can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced by reducing the chip area.
[0311]
3. Structure of TMR element
In the cell array structure described above, a plurality of TMR elements in one block are connected in series, parallel, or series-parallel.
[0312]
When such a cell array structure is assumed, it is necessary to adopt a read operation principle such as a destructive read operation principle when the structures of a plurality of TMR elements in one block are the same (for example, Japanese Patent Application No. 2001-350013). issue). It is also possible to adopt a collective read operation principle that does not depend on the destructive read operation principle by making the structures of a plurality of TMR elements in one block different (for example, Japanese Patent Application No. 2001-365236).
[0313]
These read operation principles will be described in detail later, and here, a structural example of a TMR element for realizing these read operation principles will be described.
[0314]
(1) Equivalent circuit during read operation
First, an equivalent circuit of a TMR element (memory cell) in one block during a read operation will be described.
[0315]
33 to 35 show equivalent circuits during a read operation in the first structural example of the cell array structure.
[0316]
The four TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 are connected in series with each other, and one end thereof is connected to the read bit line BLj. The potential of the read bit line BLj is set to the power supply potential VDD, for example. A read selection switch (MOS transistor) RSW is connected between the other end of the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 connected in series and the source line SL.
[0317]
When the read selection switch RSW is a MOS transistor (FIG. 33), its gate, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “H”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on. For example, the source line SL is set to the ground potential VSS.
[0318]
When the read selection switch RSW is a diode (FIG. 34), its cathode, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “L (= VSS)”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on.
[0319]
When the read selection switch RSW is a bipolar transistor (FIG. 35), its base, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “H”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on. For example, the source line SL is set to the ground potential VSS.
[0320]
36 to 38 show equivalent circuits at the time of a read operation in the structural example 2 of the cell array structure.
[0321]
The four TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 are connected in parallel to each other, and one end thereof is connected to the read bit line BLj. The potential of the read bit line BLj is set to the power supply potential VDD, for example. A read selection switch (MOS transistor) RSW is connected between the other end of the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 connected in parallel and the source line SL.
[0322]
When the read selection switch RSW is a MOS transistor (FIG. 36), its gate, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “H”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on. For example, the source line SL is set to the ground potential VSS.
[0323]
When the read selection switch RSW is a diode (FIG. 37), the cathode, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “L (= VSS)”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on.
[0324]
When the read selection switch RSW is a bipolar transistor (FIG. 38), its base, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “H”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on. For example, the source line SL is set to the ground potential VSS.
[0325]
39 to 41 show equivalent circuits at the time of a read operation in the third structural example of the cell array structure.
[0326]
The four TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 are connected in series and parallel, and one end thereof is connected to the read bit line BLj. The potential of the read bit line BLj is set to the power supply potential VDD, for example. A read selection switch (MOS transistor) RSW is connected between the other end of the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 connected in series and parallel and the source line SL.
[0327]
When the read selection switch RSW is a MOS transistor (FIG. 39), its gate, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “H”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on. For example, the source line SL is set to the ground potential VSS.
[0328]
When the read selection switch RSW is a diode (FIG. 40), the cathode, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “L (= VSS)”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on.
[0329]
When the read selection switch RSW is a bipolar transistor (FIG. 41), its base, that is, the potential of the read word line RWLn is set to “H”. For this reason, the read selection switch RSW is turned on. For example, the source line SL is set to the ground potential VSS.
[0330]
(2) Structure of TMR element
(1) When applying the destructive read operation principle
In this case, the structures of the plurality of TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 in the block BKjn may all be the same.
[0331]
42 to 44 show structural examples of the TMR element.
The TMR element shown in the example of FIG. 42 has the most basic structure, and has two ferromagnetic layers and a tunnel barrier layer sandwiched between them.
[0332]
Of the two ferromagnetic layers, an antiferromagnetic layer for fixing the magnetization direction is added to the fixed layer (pinned layer) in which the magnetization direction is fixed. Of the two ferromagnetic layers, the magnetization direction of the free layer (storage layer) that can freely change the magnetization direction is determined by the combined magnetic field formed by the write word line and the write bit line.
[0333]
The TMR element shown in the example of FIG. 43 is provided with two tunnel barrier layers in the TMR element for the purpose of increasing the bias voltage as compared with the TMR element of the example of FIG.
[0334]
It can also be said that the TMR element in FIG. 43 has a structure (double junction structure) in which two TMR elements in FIG. 42 are connected in series.
[0335]
In this example, the TMR element has three ferromagnetic layers, and a tunnel barrier layer is disposed between them. An antiferromagnetic layer is added to each of the two ferromagnetic layers (pinned layers) at both ends. Of the three ferromagnetic layers, the free layer (memory layer) that can freely change the direction of magnetization is the middle ferromagnetic layer.
[0336]
The TMR element shown in the example of FIG. 44 is configured so that the memory retention characteristic is not deteriorated while reducing the write reversal magnetic field as compared with the TMR element of the example of FIG.
[0337]
The TMR element of this example is obtained by replacing the storage layer of the TMR element of FIG. 42 with a storage layer composed of two ferromagnetic layers and a nonmagnetic metal layer (for example, aluminum) sandwiched between them. I can say that.
[0338]
The memory layer of the TMR element has a three-layer structure including two ferromagnetic layers and a nonmagnetic metal layer sandwiched between them, so that the reversal magnetic field is reduced and the memory retention characteristic is not deteriorated. It becomes possible to. That is, the write reversal magnetic field can be lowered by reducing the thickness of the two ferromagnetic layers constituting the storage layer.
[0339]
In the case of a single layer structure, it becomes vulnerable to thermal fluctuations, and erroneous writing is likely to occur. In the case of a three-layer structure, thermal fluctuations occur due to the magnetic coupling of two ferromagnetic layers sandwiching a nonmagnetic metal. Therefore, it is possible to realize a TMR structure with excellent memory retention characteristics that is unlikely to cause erroneous writing.
[0340]
(2) When applying the batch read operation principle
In this case, the structures of the plurality of TMR elements connected in series, parallel, or series-parallel in the block are different from each other.
[0341]
Specifically, the resistance values of the respective TMR elements when the magnetization states of the plurality of TMR elements in the block are all parallel (for the definition of parallel and antiparallel, see the column of the prior art) are different from each other. Thus, the structure of a plurality of TMR elements is determined.
[0342]
・ Structural example 1
FIG. 45 shows an example of the TMR element MTJ1.
The TMR element MTJ1 is composed of a basic unit. The basic unit is a unit comprising a tunnel barrier, a ferromagnetic layer (memory layer) disposed on one side of the tunnel barrier, and a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer disposed on the other side of the tunnel barrier. It is.
[0343]
Since the ferromagnetic layer disposed on the other side of the tunnel barrier is in contact with the antiferromagnetic layer, its magnetization direction is fixed. The ferromagnetic layer disposed on the other side of the tunnel barrier and the antiferromagnetic layer in contact therewith constitute a pinned layer.
[0344]
The resistance value of the TMR element MTJ1 realized by this structure is R.
[0345]
FIG. 46 shows an example of the TMR element MTJ2.
The TMR element MTJ2 is composed of two basic units. However, one ferromagnetic layer (memory layer) is shared between the two basic units. That is, a pinned layer composed of a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer is disposed on one side of a ferromagnetic layer as a storage layer via a tunnel barrier, and also on the other side of the ferromagnetic layer as a storage layer. A pinned layer including a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer is disposed via the tunnel barrier.
[0346]
The TMR element MTJ2 has a structure in which a tunnel barrier and a pinned layer (a ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer) are symmetrically arranged with respect to a ferromagnetic layer as a storage layer.
[0347]
The resistance value of the TMR element MTJ2 realized by this structure is 2 × R.
[0348]
FIG. 47 shows an example of the TMR element MTJ3.
The TMR element MTJ3 is composed of four basic units. In addition, it can be said that the TMR element MTJ3 includes two TMR elements MTJ2 connected in series. That is, the TMR element MTJ3 has a structure in which two TMR elements MTJ2 are connected in series and an antiferromagnetic layer at the connection portion is shared by the two TMR elements MTJ2.
[0349]
In the TMR element MTJ3, there are two storage layers, but the same data is naturally stored in these two storage layers. That is, 1-bit data is stored in the TMR element MTJ3 by two storage layers.
[0350]
The resistance value of the TMR element MTJ3 realized by this structure is 4 × R.
[0351]
FIG. 48 shows an example of the TMR element MTJ4.
The TMR element MTJ4 is composed of eight basic units. In addition, it can be said that the TMR element MTJ4 has two TMR elements MTJ3 connected in series. That is, the TMR element MTJ4 has a structure in which two TMR elements MTJ3 are connected in series and an antiferromagnetic layer at the connection portion is shared by the two TMR elements MTJ3.
[0352]
In the TMR element MTJ4, there are four storage layers, but the same data is naturally stored in these four storage layers. That is, 1-bit data is stored in the TMR element MTJ4 by the four storage layers.
[0353]
The resistance value of the TMR element MTJ4 realized by this structure is 8 × R.
[0354]
・ Structural example 2
In Structural Example 1, the technology for changing the resistance value of the TMR element by changing the number of tunnel barriers according to the number of basic units (MTJ elements) has been described. However, in this case, since the number of basic units is different for each TMR element in one block, the thickness varies.
[0355]
Therefore, in Structural Example 2, in order to solve the problem that the thickness of each TMR element in one block is different, all the TMR elements in one block are composed of the same number of units, and the thicknesses are the same. To.
[0356]
For example, when one block is composed of four TMR elements, each TMR element is composed of eight units.
[0357]
The resistance value of the TMR element is adjusted by making some of the plurality of units constituting the TMR element dummy units. The dummy unit is a unit in which the tunnel barrier of the basic unit is changed to a nonmagnetic metal.
[0358]
In this way, for example, when the resistance value of one basic unit is R, the resistance value of the TMR element composed of eight basic units is 8 × R (eight tunnel barriers). In addition, the resistance value of the TMR element in which four of the eight units are basic units and the other four are dummy units is 4 × R (four tunnel barriers).
[0359]
Furthermore, the resistance value of the TMR element, in which two of the eight units are basic units and the other six are dummy units, is 2 × R (two tunnel barriers), and one of the eight units is a basic unit. Thus, the resistance value of the TMR element in which the other seven are dummy units is R (one tunnel barrier).
[0360]
The resistance value between the two ferromagnetic layers sandwiching the nonmagnetic metal is sufficiently smaller than the resistance value between the two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier. For this reason, the number of units (total of the basic unit and dummy unit) constituting the TMR element is made the same, the thicknesses of all the TMR elements are made the same, and the ratio of the resistance values of the TMR elements in one block is set. For example, it can be set to 1: 2: 4: 8.
[0361]
The tunnel barrier of the basic unit is made of alumina, for example. Alumina is formed by oxidizing aluminum.
[0362]
Therefore, after forming aluminum, if the unit is formed without oxidizing the aluminum, the unit becomes a dummy unit. Further, if aluminum is formed and then oxidized to alumina, the finally completed unit becomes a basic unit of resistance value R.
[0363]
FIG. 49 shows an example of the TMR element MTJ1.
The TMR element MTJ1 is composed of eight units. One of the eight units is a basic unit having a tunnel barrier, and the remaining seven are dummy units having no tunnel barrier (having a nonmagnetic metal).
[0364]
Therefore, the resistance value of the TMR element MTJ1 realized by this structure is the resistance value R for one unit (or tunnel barrier).
[0365]
FIG. 50 shows an example of the TMR element MTJ2.
The TMR element MTJ2 is composed of eight units. Two of the eight units are basic units having a tunnel barrier, and the remaining six are dummy units having a tunnel barrier (having a nonmagnetic metal).
[0366]
Therefore, the resistance value of the TMR element MTJ2 realized by this structure is the resistance value 2 × R for two units (or tunnel barriers).
[0367]
FIG. 51 shows an example of the TMR element MTJ3.
The TMR element MTJ3 is composed of eight units. Four of the eight units are basic units having a tunnel barrier, and the remaining four are dummy units having a tunnel barrier (having a nonmagnetic metal).
[0368]
Therefore, the resistance value of the TMR element MTJ3 realized by this structure is the resistance value 4 × R for four units (or tunnel barriers).
[0369]
FIG. 52 shows an example of the TMR element MTJ4.
The TMR element MTJ4 is composed of eight units. All eight units are basic units with tunnel barriers.
[0370]
Therefore, the resistance value of the TMR element MTJ4 realized by this structure is the resistance value 8 × R for eight units (or tunnel barriers).
[0371]
・ Other
In this example, when the magnetization states of the plurality of TMR elements in the block are all the same, the resistance values of the plurality of TMR elements in the block are made different from each other by changing the number of tunnel barriers.
[0372]
However, this structure is only an example, and various changes can be made. For example, regarding the TMR elements MTJ1, MTJ2, and MTJ3 in FIGS. 49 to 52, the position of the basic unit having the tunnel barrier and the position of the dummy unit having the nonmagnetic metal are arbitrarily changed unless the number of tunnel barriers is changed. be able to.
[0373]
(3) Summary
The structure example of the TMR element has been described above. However, the structure of the TMR element is not particularly limited with respect to the present invention (circuit structure, device structure, read operation principle, read circuit, and manufacturing method). The structural example described above is merely shown as a representative example of the structure of the TMR element.
[0374]
4). Read operation principle
In the magnetic random access memory, when only the data of the selected TMR element can be read, (1) the normal read operation principle in which the read data is detected by the sense amplifier is applied. When the data of all TMR elements in the block are read in a mixed form (when the read bit line is shared), (2) the so-called destructive read operation principle or (3) the collective read operation principle Applied.
[0375]
A magnetic random access memory to which the destructive read operation principle can be applied is described in detail, for example, in Japanese Patent Application No. 2001-350013. A magnetic random access memory to which the collective reading operation principle can be applied is described in detail in, for example, Japanese Patent Application No. 2001-365236.
[0376]
5. Read circuit
A circuit example of a read circuit for realizing the read operation principle of the present invention will be described.
[0377]
(1) When applying the destructive read operation principle
(1) Circuit example 1
FIG. 53 shows Circuit Example 1 of the read circuit of the magnetic random access memory.
The plurality of TMR elements are connected in parallel to each other, one end of which is connected to a ground point, and the other end is connected to a node n1 via an N-channel MOS transistor N7 (SW) as a column selection switch. The TMR element group shown corresponds to one column in the reference examples and the improved examples 1, 2 and 5, and corresponds to one block in one column in the improved examples 3, 4 and 6.
[0378]
The potential of the node n1 is set to the clamp potential Vclamp by the clamp circuit. The clamp circuit is composed of an operational amplifier OP1 and an N-channel MOS transistor N8.
[0379]
N channel MOS transistor N8 is arranged between node n1 and current mirror circuit M1. For example, the operational amplifier OP1 controls the gate potential of the N-channel MOS transistor N8 so that the potential of the node n1 becomes equal to the clamp potential Vclamp.
[0380]
The role of the clamp circuit is to adjust the voltage across the TMR elements in one column or one block.
[0381]
That is, for example, when the ground potential is applied to one end of the TMR element, if the potential at the other end of the TMR element becomes too large, the MR ratio of the TMR element becomes small. The small MR ratio of the TMR element means that the difference between the resistance value of the TMR element in the “1” state and the resistance value of the TMR element in the “0” state is small. That is, the margin for determining “1” and “0” at the time of reading is reduced.
[0382]
In order to prevent this, in this example, the clamp circuit is used to adjust the potential at the other end of the TMR element, that is, the voltage across the TMR element, so that the MR ratio of the TMR element does not become small.
[0383]
The current mirror circuit M1 plays a role of causing a current equal to the total value of read currents flowing through the plurality of TMR elements to flow through the N-channel MOS transistor N9. At this time, the potential of the node n2 (for example, initial data) is stored in the storage circuit 43 by the transfer gate circuit TG1.
[0384]
ON / OFF of the transfer gate circuit TG1 is controlled by control signals READ1S and bREAD1S. The control signal READ1S is a signal that becomes “H” during the first read operation (when initial data is read). The control signal bREAD1S is an inverted signal having a value opposite to the value of the control signal READ1S.
[0385]
When the control signal READ1S is “H” (during the first read operation), the potential of the node n2 is input to the inverter circuit I7 via the transfer gate circuit TG1. The output signal of the inverter circuit I7 is input to the negative input terminal of the operational amplifier OP2. The output signal of the operational amplifier OP2 is input to the inverter circuit I8, and the output signal of the inverter circuit I8 is input to the plus side input terminal of the operational amplifier OP2.
[0386]
For example, the operational amplifier OP2 sets the gate potential of the N-channel MOS transistor in the inverter circuit I8 so that the input potential input to the negative input terminal and the input potential input to the positive input terminal are equal to each other. Control. Therefore, as a result, the current flowing through the inverter circuit I8 that receives the output signal of the operational amplifier OP2 becomes initial data (cell data).
[0387]
The transfer gate circuit TG2 is connected between the output terminal of the operational amplifier OP2 and the input terminal of the inverter circuit I7. When the first read operation is finished, the control signal READ1S becomes “L”, and the control signal bREAD1S becomes “H”. As a result, the initial data is latched in the storage circuit 43.
[0388]
The positive input terminal of the sense amplifier SA is connected to the node n2, and the negative input terminal is connected to the output terminal n3 of the operational amplifier OP2. When determining the data of the selected TMR element, the sense amplifier SA compares the potential of the node n2 with the potential of the output terminal n3 of the operational amplifier OP2.
[0389]
That is, the potential of the node n1 represents the second read result (comparison data), and the potential of the output terminal n3 of the operational amplifier OP2 represents the first read result (initial data).
[0390]
By the way, when the number of TMR elements connected in parallel in one column or one block increases, the value of the signal current with respect to the value of the read current becomes very small, and this minute signal current can be detected by the sense amplifier. It becomes difficult.
[0390]
Therefore, in this example, an additional current generation unit 42 is provided.
[0392]
The additional current generator 42 has a current source Is. The constant current generated by the current source Is is supplied to the TMR element by the current mirror circuit M2.
[0393]
That is, in the circuit example 6, if the cell current flowing through the TMR elements connected in parallel in one column or one block is Icell, the current flowing through the current mirror circuit M1, that is, the current Isense flowing through the N-channel MOS transistor N9 is , Isense = Icell-Is.
[0394]
Thereby, since the value of the signal current with respect to the value of the read current can be increased, the detection sensitivity of the signal current by the sense amplifier can be improved.
[0395]
(2) Circuit example 2
FIG. 54 shows Circuit Example 2 of the read circuit of the magnetic random access memory.
This circuit example 2 is a modification of the circuit example 1. The circuit example 2 is characterized by the memory circuit 43 as compared to the circuit example 1. That is, in the circuit example 1, the memory circuit 43 has the two inverter circuits I7 and I8 and the operational amplifier OP2. However, in the circuit example 2, the memory circuit 43 does not have the operational amplifier and has four stages. Current mirror circuits I9, I9 ', I10 and I11 are provided.
[0396]
That is, in the circuit example 2, the initial data is latched in the memory circuit 43 using the current mirror circuit without using the operational amplifier.
[0397]
For example, during the first read operation (when initial data is read), the control signal READ1S is “H”, so that the potential (initial data) of the node n1 is four-stage current mirror circuits I9, I9 ′, I10. , I11.
[0398]
That is, since I9, I9 ', I10, and I11 constitute a current mirror circuit, the currents flowing from the power supply terminal to the ground terminal in each stage have the same value. Therefore, if the MOS transistors constituting the current mirror circuits I9, I9 ′, I10, I11 are designed to operate in the saturation region, the gate potential of the N-channel MOS transistor in the current mirror circuit I9, that is, the potential of the node n1. Is transferred to node n3.
[0399]
When the first read operation ends, the control signal READ1S becomes “L” and the control signal bREAD1S becomes “H”, so that the initial data transferred to the node n3 is latched in the storage circuit 43.
[0400]
(3) Circuit example 3
FIG. 55 shows Circuit Example 3 of the read circuit of the magnetic random access memory.
This circuit example 3 is also a modification of the circuit example 1 and is characterized by the memory circuit 43 as compared with the circuit example 1. That is, in the circuit example 3, the storage circuit 43 is configured by the capacitor C1.
[0401]
In this example, for example, the potential (initial data) of the node n2 is dynamically stored in the capacitor C1. For this reason, for example, the period from the first reading to the second reading needs to be shorter than the period during which the capacitor C1 continues to hold data.
[0402]
The period during which the capacitor C1 continues to hold data is, for example, several milliseconds, as well studied in the field of DRAM (Dynamic Random Access Memory). Therefore, the capacitor C1 can be used for the memory circuit 43 if the period from the first reading to the second reading is shorter than several milliseconds.
[0403]
(4) Specific examples of sense amplifiers
A specific example of the sense amplifier SA used in the circuit examples 1, 2, and 3 will be described. The configuration of the sense amplifier SA is determined by the value of trial data to be written to the selected TMR element during the destructive read operation.
[0404]
・ When trial data is “1”
FIG. 56 shows an example of the sense amplifier when the trial data is “1”. The sense amplifier SA includes, for example, three differential amplifiers DI1, DI2, DI3 and a NAND circuit ND5.
[0405]
The first-stage differential amplifier DI1 compares the potential of the node n2 (for example, comparison data) in FIGS. 53 to 55 with the potential of the node n3 (for example, initial data). The differential amplifier DI1 outputs two output potentials based on the two input potentials. The difference between the two output potentials of the differential amplifier DI1 is determined based on the difference between the two input potentials.
[0406]
A potential based on the potential of the node n2 is input to the plus side input terminal of the differential amplifier DI2, and the reference potential VrefH is input to the minus side input terminal. The differential amplifier DI2 outputs “H” when the potential input to the plus side input terminal is higher than the reference potential VrefH, and outputs “L” when the potential is lower than the reference potential VrefH.
[0407]
A potential based on the potential of the node n3 is input to the minus side input terminal of the differential amplifier DI3, and a reference potential VrefL is input to the plus side input terminal. The differential amplifier DI3 outputs “H” when the potential input to the negative input terminal is smaller than the reference potential VrefL, and outputs “L” when larger than that.
[0408]
For example, when the data of the selected TMR element is “0” and the trial data is “1”, the comparison data read in the second read operation, that is, the potential of the node n2 is changed in the first read operation. The read initial data, that is, the potential of the node n3 becomes higher.
[0409]
At this time, the potential input to the plus side input terminal of the differential amplifier DI2 is higher than the reference potential VrefH input to the minus side input terminal, so that the output signal of the differential amplifier DI2 is “H”. Become. In addition, since the potential input to the negative input terminal of the differential amplifier DI3 is lower than the reference potential VrefL input to the positive input terminal, the output signal of the differential amplifier DI3 is also “H”. .
[0410]
Therefore, the output signal of the NAND circuit ND5 is “L”, that is, the output signal of the sense amplifier SA is “0” (“L” = “0”). That is, it is determined that the data of the selected TMR element is “0”.
[0411]
For example, when the data of the selected TMR element is “1” and the trial data is “1”, the comparison data read in the second read operation, that is, the potential of the node n2 and the first read The initial data read by the operation, that is, the potential of the node n3 is substantially the same.
[0412]
At this time, the differential amplifier DI1 outputs two output potentials based on a small potential difference between the nodes n2 and n3.
[0413]
However, since the potential input to the positive input terminal of the differential amplifier DI2 does not become higher than the reference potential VrefH input to the negative input terminal, the output signal of the differential amplifier DI2 is “L”. " Further, since the potential input to the negative input terminal of the differential amplifier DI3 does not become lower than the reference potential VrefL input to the positive input terminal, the output signal of the differential amplifier DI3 is also “L”. "
[0414]
Therefore, the output signal of the NAND circuit ND5 is “H”, that is, the output signal of the sense amplifier SA is “1” (“H” = “1”). That is, it is determined that the data of the selected TMR element is “1”.
[0415]
FIG. 57 shows an example of the first-stage differential amplifier of the sense amplifier of FIG.
[0416]
This differential amplifier DI1 is characterized in that a resistor Rr having an appropriate resistance value is connected between two output terminals.
[0417]
In this way, by connecting a resistor between the two output terminals of the differential amplifier DI1, when the data of the selected TMR element and the trial data are the same, that is, there is almost no difference between the two input potentials. If not, the differential amplifier DI1 amplifies the difference and does not output it. The differential amplifier DI1 amplifies and outputs the difference only when there is a clear difference between the two input potentials.
[0418]
58 shows another example of the first-stage differential amplifier of the sense amplifier of FIG.
[0419]
This differential amplifier DI1 is characterized in that a depletion type MOS transistor QD is connected between two output terminals.
[0420]
The depletion type MOS transistor QD has the same function as the resistor Rr in FIG. That is, when the data of the selected TMR element and the trial data are the same, that is, when there is almost no difference between the two input potentials, the differential amplifier DI1 amplifies the difference and does not output it. . The differential amplifier DI1 amplifies and outputs the difference only when there is a clear difference between the two input potentials.
[0421]
・ When trial data is “0”
FIG. 59 shows an example of the sense amplifier when the trial data is “0”. The sense amplifier SA includes, for example, three differential amplifiers DI1, DI2, DI3 and a NOR circuit NR3.
[0422]
The first-stage differential amplifier DI1 compares the potential of the node n2 (for example, comparison data) in FIGS. 53 to 55 with the potential of the node n3 (for example, initial data). The differential amplifier DI1 outputs two output potentials based on the two input potentials. The difference between the two output potentials of the differential amplifier DI1 is determined based on the difference between the two input potentials.
[0423]
A potential based on the potential of the node n2 is input to the plus side input terminal of the differential amplifier DI2, and the reference potential VrefL is input to the minus side input terminal. The differential amplifier DI2 outputs “L” when the potential input to the plus side input terminal is smaller than the reference potential VrefL, and outputs “H” when larger than that.
[0424]
A potential based on the potential of the node n3 is input to the minus side input terminal of the differential amplifier DI3, and a reference potential VrefH is input to the plus side input terminal. The differential amplifier DI3 outputs “L” when the potential input to the negative input terminal is higher than the reference potential VrefH, and outputs “H” when it is lower than the reference potential VrefH.
[0425]
For example, when the data of the selected TMR element is “1” and the trial data is “0”, the comparison data read in the second read operation, that is, the potential of the node n2 is changed in the first read operation. The read initial data, that is, the potential of the node n3 becomes lower.
[0426]
At this time, since the potential input to the positive input terminal of the differential amplifier DI2 is lower than the reference potential VrefL input to the negative input terminal, the output signal of the differential amplifier DI2 is “L”. Become. Further, since the potential input to the negative input terminal of the differential amplifier DI3 is higher than the reference potential VrefH input to the positive input terminal, the output signal of the differential amplifier DI3 is also “L”. .
[0427]
Accordingly, the output signal of the NOR circuit NR3 is “H”, that is, the output signal of the sense amplifier SA is “1” (“H” = “1”). That is, it is determined that the data of the selected TMR element is “1”.
[0428]
For example, when the data of the selected TMR element is “0” and the trial data is “0”, the comparison data read in the second read operation, that is, the potential of the node n2 and the first read The initial data read by the operation, that is, the potential of the node n3 is substantially the same.
[0429]
At this time, the differential amplifier DI1 outputs two output potentials based on a small potential difference between the nodes n2 and n3.
[0430]
However, since the potential input to the positive input terminal of the differential amplifier DI2 does not become lower than the reference potential VrefL input to the negative input terminal, the output signal of the differential amplifier DI2 is “H " Further, since the potential input to the negative input terminal of the differential amplifier DI3 does not become higher than the reference potential VrefH input to the positive input terminal, the output signal of the differential amplifier DI3 is also “H”. "
[0431]
Therefore, the output signal of the NAND circuit ND5 is “L”, that is, the output signal of the sense amplifier SA is “0” (“L” = “0”). That is, it is determined that the data of the selected TMR element is “0”.
[0432]
Note that the differential amplifier DI1 having the configuration shown in FIG. 57 or 58 can also be used for the first-stage differential amplifier DI1 of the sense amplifier of FIG.
[0433]
Thereby, when the data of the selected TMR element and the trial data are the same, that is, when there is almost no difference between the two input potentials, the sense amplifier amplifies the difference and does not output it. The sense amplifier amplifies and outputs the difference only when there is a clear difference between the two input potentials.
[0434]
(5) Specific examples of operational amplifiers
FIG. 60 shows a specific example of the operational amplifier OP1 shown in FIGS.
[0435]
The clamp potential Vclamp is input to the positive input terminal of the operational amplifier OP1, and the potential of the node n1 is input to the negative input terminal. When the enable signal Enable becomes “H”, an output signal Out is output so that the potential of the node n1 becomes equal to the clamp potential Clamp.
[0436]
FIG. 61 shows a specific example of the operational amplifier OP2 of FIG.
[0437]
The output signal of the inverter circuit I8 of FIG. 53 is input to the positive side input terminal of the operational amplifier OP2, and the output signal of the inverter circuit I7 is input to the negative side input terminal thereof. When the enable signal Enable becomes “H”, an output signal Out is output so that the output signal of the inverter circuit I7 becomes equal to the output signal of the inverter circuit I8.
[0438]
(6) Specific example of the current source of the additional current generator
FIG. 62 shows an example of a current source of the additional current generator.
For example, the current source Is of the additional current generation unit 42 can have the same configuration as that of the memory cell array unit. That is, the current source Is can be composed of a plurality of TMR elements connected in parallel, a clamp circuit, and an N-channel MOS transistor.
[0439]
Here, the number of TMR elements in the current source Is is preferably smaller than the number of TMR elements connected in parallel in one column or one block of the memory cell array.
[0440]
In this example, the TMR element is used to configure the additional current generating unit 42. However, for example, a BGR circuit or the like may be used instead.
[0441]
(7) Operation of circuit examples 1, 2, and 3
・ First read operation
In the first read operation, initial data is read.
[0442]
A column address signal is input, and the column selection switch N7 (SW) is turned on. The operational amplifier OP1 controls the gate potential of the N-channel MOS transistor N8 so that the potential of the node n1 becomes equal to the clamp potential Vclamp.
[0443]
At this time, the read current flows from the power supply terminal VDD to the ground point via the transistors M7 and M8 and the plurality of TMR elements. The current mirror circuit M1 plays a role of flowing a current equal to the read current to the N-channel MOS transistor N9.
[0444]
Accordingly, a potential (initial data) corresponding to the combined resistance of the plurality of TMR elements appears at the node n2.
[0445]
The control signal READ1S is “H” during the first read operation. That is, the transfer gate circuit TG1 is in an on state, and the transfer gate circuit TG2 is in an off state. Therefore, the potential of the node n2 is input to the storage circuit 43 via the transfer gate circuit TG1.
[0446]
In the example of FIG. 53, the operational amplifier OP2 controls the gate potential of the N-channel MOS transistor in the inverter circuit I8 so that the minus side input potential and the plus side input potential are equal to each other. As a result, the current flowing through the inverter circuit I8 becomes initial data (cell data).
[0447]
In the example of FIG. 54, the potential of the output node n3 of the inverter circuit I11 becomes initial data (cell data). In the example of FIG. 55, the potential at one end n3 of the capacitor C1 becomes initial data (cell data).
[0448]
When the first read operation is finished, the control signal READ1S becomes “L”, and the control signal bREAD1S becomes “H”. As a result, the initial data is latched in the storage circuit 43.
[0449]
・ Second read operation and data judgment operation
After writing trial data to the selected TMR element (normal destructive read operation) or simultaneously with writing (improved destructive read operation), a second read operation is performed to read comparison data.
[0450]
A column address signal is input, and the column selection switch N7 (SW) is turned on. The operational amplifier OP1 controls the gate potential of the N-channel MOS transistor N8 so that the potential of the node n1 becomes equal to the clamp potential Vclamp.
[0451]
At this time, the read current flows from the power supply terminal VDD to the ground point via the transistors M7 and M8 and the plurality of TMR elements. The current mirror circuit M1 plays a role of flowing a current equal to the read current to the N-channel MOS transistor N9.
[0452]
Therefore, a potential (comparison data) corresponding to the combined resistance of the plurality of TMR elements appears at the node n2.
[0453]
At this time, the potential of the node n2 is input to the plus side input terminal of the sense amplifier SA, and the potential of the node n3 of the memory circuit 43 is input to the minus side input terminal. As a result, the sense amplifier SA determines the data value of the selected TMR element based on the potential of the node n2 and the potential of the node n3.
[0454]
(2) When applying the batch read operation principle
In the collective read operation principle, a read potential Vtotal corresponding to the combined resistance value of the plurality of TMR elements in the read block appears on the read bit line BLj during the read operation. This combined resistance value corresponds to the number of combinations of data values of the TMR elements when the number of TMR elements in the read block is N (N is a plurality).NThere are only streets.
[0455]
Therefore, if the read potential Vtotal appearing on the read bit line BLj is detected by a read circuit (including a sense amplifier), the data of the TMR elements in the read block can be read easily at a time.
[0456]
(1) Sense amplifier
FIG. 63 shows a circuit example of a read circuit according to the present invention.
This read circuit is composed of an analog / digital converter (A / D converter) as a sense amplifier.
[0457]
One end of the block BKjn composed of four TMR elements connected in series is connected to the power supply terminal via the N-channel MOS transistor SWA and the P-channel MOS transistor Px2, and the other end is connected to the ground terminal. The four TMR elements in the block BKjn may be connected in parallel instead of being connected in series.
[0458]
The first current path is a path from the power supply terminal to the ground terminal via the MOS transistors Px2 and SWA and the plurality of TMR elements.
[0459]
One end of the 14 resistance elements having the resistance value ΔR is connected to the power supply terminal via the P-channel MOS transistor Px3, and the other end is connected to the ground terminal via the resistance element having the resistance value 15R + ΔR / 2. Connected. The second current path is a path from the power supply terminal to the ground terminal via the MOS transistor Px3 and the plurality of resistance elements.
[0460]
Here, R and ΔR have the same meaning as R and ΔR described in the column of the read operation principle.
[0461]
P-channel MOS transistors Px1, Px2, and Px3 form a current mirror circuit. For this reason, the constant current generated by the constant current source Ix flows through the first and second current paths described above.
[0462]
The current flowing through the first current path becomes a read current, and this read current flows through the plurality of TMR elements. As a result, the read potential Vtotal corresponding to the data value (combined resistance value) of the TMR elements in the block BKjn appears at the node nr. On the other hand, when a current flows through the second current path, a predetermined reference potential appears at connection points nx0, nx1,.
[0463]
The differential amplifiers DI0, DI2,... DI13, DI14 compare the read potential Vtotal of the node nr with a predetermined reference potential and output the comparison results as output signals O0b1, O1b2,... O13b14, O14b15. .
[0464]
For example, the reference potential of the node nx0 is input to the plus side input terminal of the differential amplifier DI0, and the read potential Vtotal of the node nr is input to the minus side input terminal. Similarly, the reference potential of the node nx1 is input to the plus side input terminal of the differential amplifier DI1, the read potential Vtotal of the node nr is input to the minus side input terminal, and the plus side input of the differential amplifier DI14 is input. The reference potential of the node nx14 is input to the terminal, and the read potential Vtotal of the node nr is input to the negative input terminal.
[0465]
Since the detailed operation of the sense amplifier is disclosed in Japanese Patent Application No. 2001-365236, it is omitted here.
[0466]
(2) Logic circuit
Next, based on the output signals O0b1, O1b2,... O13b14, O14b15 of the sense amplifier (A / D converter), the data values of the TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, MTJ4 in the read block are actually determined. The logic circuit will be described.
[0467]
FIG. 64 shows an example of a logic circuit that determines the data value of the TMR element MTJ4 based on the output signal of the A / D converter.
[0468]
The data value of the TMR element MTJ4 is determined based on the output signal O7b8 among the output signals O0b1, O1b2,... O13b14, O14b15 of the A / D converter.
[0469]
Since the data value of the TMR element MTJ4 can be determined only from the value of the output signal O7b8 as described above, the logic circuit for determining the data value of the TMR element MTJ4 is configured by inverters IV1 and IV2 connected in series.
[0470]
FIG. 65 shows an example of a logic circuit that determines the data value of the TMR element MTJ3 based on the output signal of the A / D converter.
[0471]
The data value of the TMR element MTJ3 is determined based on the output signals O3b4, O7b8, O11b12 among the output signals O0b1, O1b2,... O13b14, O14b15 of the A / D converter.
[0472]
Since the data value of the TMR element MTJ3 can be determined from the values of the output signals O3b4, O7b8, and O11b12 as described above, the logic circuit that determines the data value of the TMR element MTJ3 includes the inverters IV3 and IV4 and the NOR gate circuits NR1, It is composed of NR2.
[0473]
For example, when O3b4 = “1”, the data value of the TMR element MTJ3 is determined to be “1”. When O3b4 = “0” and O7b8 = “1”, the data value of the TMR element MTJ3 is determined as “0”, and O3b4 = “0”, O7b8 = “0”, and O11b12 = “1”. At this time, the data value of the TMR element MTJ3 is determined to be “1”. When O3b4 = “0”, O7b8 = “0”, and O11b12 = “0”, the data value of the TMR element MTJ3 is “0”. It is judged.
[0474]
FIG. 66 shows an example of a logic circuit that determines the data value of the TMR element MTJ2 based on the output signal of the A / D converter.
[0475]
The data value of the TMR element MTJ2 is determined based on the output signals O1b2, O3b4, O5b6, O7b8, O9b10, O11b12, and O13b14 among the output signals O0b1, O1b2,... O13b14, O14b15 of the A / D converter.
[0476]
The logic circuit that determines the data value of the TMR element MTJ2 is composed of inverters IV5, IV6, IV7, IV8 and NOR gate circuits NR3, NR4, NR5, NR6.
[0477]
For example, when O1b2 = “1”, the data value of the TMR element MTJ2 is determined to be “1”. When O1b2 = “0” and O3b4 = “1”, the data value of the TMR element MTJ2 is determined to be “0”, and O1b2 = “0”, O3b4 = “0”, and O5b6 = “1”. In this case, the data value of the TMR element MTJ2 is determined to be “1”.
[0478]
FIG. 67 shows an example of a logic circuit that determines the data value of the TMR element MTJ1 based on the output signal of the A / D converter.
[0479]
The data value of the TMR element MTJ1 is determined based on all output signals O0b1, O1b2,... O13b14, O14b15 of the A / D converter.
[0480]
The logic circuit for determining the data value of the TMR element MTJ1 includes inverters IV9, IV10, IV11, IV12, IV13, IV14, IV15, IV16 and NOR gate circuits NR7, NR8, NR9, NR10, NR11, NR12, NR13, NR14. Is done.
[0481]
For example, when O0b1 = “1”, the data value of the TMR element MTJ1 is determined to be “1”. When O0b1 = “0” and O1b2 = “1”, the data value of the TMR element MTJ1 is determined as “0”, and O0b1 = “0”, O1b2 = “0”, and O2b3 = “1”. In this case, the data value of the TMR element MTJ1 is determined to be “1”.
[0482]
The output signal patterns of the A / D converter output signals O0b1, O1b2,... O13b14, O14b15 are all “1”, all “0”, and “0” and “1”. There are three ways of existence.
[0483]
In addition, when “0” and “1” exist, there is always a boundary between “0” and “1”, and output signals on one side of the boundary are all “0” and on the other side. The output signals are all “1”.
[0484]
6). Circuit examples other than readout circuit
A circuit example other than the read circuit, that is, a write word line driver / sinker circuit example, a write bit line driver / sinker circuit example, a read word line driver circuit example, and a column decoder circuit example will be described.
[0485]
(1) Write word line driver / sinker
FIG. 68 shows a circuit example of the write word line driver / sinker.
In this example, as described in “2. Cell array structure”, it is assumed that there are TMR elements and three write word lines stacked in four stages in one row. In the figure, only one row of the write word line driver / sinker is shown.
[0486]
The write word line driver 23A-0 includes P channel MOS transistors QP15, QP16, QP17 and NAND gate circuits ND1, ND2, ND3. The write word line sinker 24-0 includes N channel MOS transistors QN15, QN16, and QN17.
[0487]
P-channel MOS transistor QP15 is connected between the power supply terminal and upper write word line WWL2. The output signal of NAND gate circuit ND1 is supplied to the gate of P channel MOS transistor QP15. N-channel MOS transistor QN15 is connected between upper write word line WWL2 and the ground terminal.
[0488]
When the output signal of the NAND gate circuit ND1 is “0”, a write current flows through the write word line WWL2.
[0489]
P-channel MOS transistor QP16 is connected between the power supply terminal and middle-stage write word line WWL1. The output signal of NAND gate circuit ND2 is supplied to the gate of P channel MOS transistor QP16. N-channel MOS transistor QN16 is connected between middle-stage write word line WWL1 and the ground terminal.
[0490]
When the output signal of the NAND gate circuit ND2 is “0”, a write current flows through the write word line WWL1.
[0491]
P-channel MOS transistor QP17 is connected between the power supply terminal and lower write word line WWL0. The output signal of NAND gate circuit ND3 is supplied to the gate of P channel MOS transistor QP17. N channel MOS transistor QN17 is connected between lower write word line WWL0 and the ground terminal.
[0492]
When the output signal of the NAND gate circuit ND3 is “0”, a write current flows through the write word line WWL0.
[0493]
The lower 2 bits of the row address signal of a plurality of bits are respectively input to the NOR gate circuit NR15 and the exclusive OR gate circuit Ex-OR1. The lower 2 bits are used to select one of the three write word lines WWL0, WWL1, and WWL2 in the selected row.
[0494]
The output signal of the NOR gate circuit NR15 is input to the NAND gate circuit ND1, and the output signal of the exclusive OR gate circuit Ex-OR1 is input to the NAND gate circuit ND2.
[0495]
In such a write word line driver / sinker, the write signal WRITE is “1” during the write operation. Also, one of the plurality of rows is selected based on the upper row address signal excluding the lower 2 bits among the plurality of row address signals. In the selected row, all the bits of the upper row address signal are “1”.
[0496]
In the selected row, it is determined whether or not a write current is supplied to the write word lines WWL0, WWL1, and WWL2 based on the lower two bits RA0 and RA1 among the row address signals of a plurality of bits.
[0497]
For example, in a write operation, when RA0 = “0” and RA1 = “0” in the selected row, all input signals of the NAND gate circuit ND1 are “1”. As a result, the output signal of the NAND gate circuit ND1 becomes “0”, the P-channel MOS transistor QP15 is turned on, and a write current flows through the write word line WWL2.
[0498]
When RA0 = "1" and RA1 = "1", all input signals to the NAND gate circuit ND3 are "1". As a result, the output signal of the NAND gate circuit ND3 becomes “0”, the P-channel MOS transistor QP17 is turned on, and a write current flows through the write word line WWL0.
[0499]
When RA0 and RA1 have different values (one is “0” and the other is “1”), the input signals of the NAND gate circuit ND2 are all “1”. As a result, the output signal of the NAND gate circuit ND2 becomes “0”, the P-channel MOS transistor QP16 is turned on, and a write current flows through the write word line WWL1.
[0500]
(2) Write bit line driver / sinker
FIG. 69 shows a circuit example of the write bit line driver / sinker.
In this example, it is assumed that there are TMR elements and two write bit lines stacked in four stages in one column. In the figure, only one column of the write bit line driver / sinker is shown.
[0501]
The write bit line driver / sinker 29A includes P-channel MOS transistors QP18 and QP19, N-channel MOS transistors QN18 and QN19, NAND gate circuits ND4 and ND5, AND gate circuits AD1 and AD2, NOR gate circuit NR16, and inverters IV17 and IV18. Is done.
[0502]
The write bit line driver / sinker 31 is composed of P-channel MOS transistors QP20 and QP21, N-channel MOS transistors QN20 and QN21, NAND gate circuits ND6 and ND7, AND gate circuits AD3 and AD4, NOR gate circuit NR17, and inverters IV19 and IV20. Is done.
[0503]
P channel MOS transistor QP18 is connected between the power supply terminal and lower write bit line BL01, and N channel MOS transistor QN18 is connected between lower write bit line BL00 and the ground terminal. P channel MOS transistor QP20 is connected between the power supply terminal and lower write bit line BL00, and N channel MOS transistor QN20 is connected between lower write bit line BL00 and the ground terminal.
[0504]
When the output signal of the NAND gate circuit ND4 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD3 is “1”, the write bit line BL00 is directed from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31. Write current flows.
[0505]
When the output signal of the NAND gate circuit ND6 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD1 is “1”, the write bit line BL00 is directed from the write bit line driver / sinker 31 to the write bit line driver / sinker 29A. Write current flows.
[0506]
P channel MOS transistor QP19 is connected between the power supply terminal and upper write bit line BL01, and N channel MOS transistor QN19 is connected between upper write bit line BL01 and the ground terminal. P-channel MOS transistor QP21 is connected between the power supply terminal and upper write bit line BL01, and N-channel MOS transistor QN21 is connected between upper write bit line BL01 and the ground terminal.
[0507]
When the output signal of the NAND gate circuit ND5 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD4 is “1”, the write bit line BL01 is directed from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31. Write current flows.
[0508]
When the output signal of the NAND gate circuit ND7 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD2 is “1”, the write bit line BL01 is directed from the write bit line driver / sinker 31 to the write bit line driver / sinker 29A. Write current flows.
[0509]
In such a write bit line driver / sinker, the write signal WRITE is “1” during the write operation. In the selected column, all the bits of the column address signal of a plurality of bits are “1”.
[0510]
In this example, one of the two write bit lines BL00 and BL01 in one column is selected using one bit RA1 of the row address signals of a plurality of bits. For example, when RA1 is “1”, the write bit line BL00 is selected, and when RA1 is “0”, the write bit line BL00 is selected.
[0511]
In addition, the direction of the write current flowing through the selected write bit line in the selected column is determined according to the value of the write data DATA.
[0512]
For example, when the write bit line BL01 is selected (when RA1 = "1"), if the write data DATA is "1", the output signal of the NAND gate circuit ND5 becomes "0", and the AND gate circuit The output signal of AD4 becomes “1”. As a result, a write current flows from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31 through the write bit line BL01.
[0513]
Further, when the write bit line BL01 is selected (when RA1 = "1"), if the write data DATA is "0", the output signal of the NAND gate circuit ND7 becomes "0", and the AND gate circuit The output signal of AD2 becomes “1”. As a result, a write current flows from the write bit line driver / sinker 31 to the write bit line driver / sinker 29A through the write bit line BL01.
[0514]
When the write bit line BL00 is selected (when RA1 = "0"), if the write data DATA is "1", the output signal of the NAND gate circuit ND4 becomes "0", and the AND gate circuit The output signal of AD3 becomes “1”. As a result, a write current flows from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31 through the write bit line BL00.
[0515]
When the write bit line BL00 is selected (when RA1 = "0"), if the write data DATA is "0", the output signal of the NAND gate circuit ND6 becomes "0", and the AND gate circuit The output signal of AD1 is “1”. As a result, a write current flows from the write bit line driver / sinker 31 to the write bit line driver / sinker 29A through the write bit line BL00.
[0516]
When the device structure shown in FIGS. 2 and 3 is employed, for example, the write bit line BLj0 is shared by the two TMR elements MTJ1 and MTJ2. Here, when viewed from the TMR element MTJ1, the write bit line BLj0 is above it, and when viewed from the TMR element MTJ2, the write bit line BLj0 is below it.
[0517]
Therefore, for example, when the direction of the write current is the direction from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31 in FIG. 1, the magnetic field received by the TMR element MTJ1 and the TMR element MTJ2 by this write current. Are opposite to each other.
[0518]
In this way, when one write bit line is shared by two TMR elements, the magnetic fields acting on the two TMR elements are in opposite directions even if the direction of the write current flowing through the write bit line is the same. Therefore, it should be noted that the magnetization directions are also opposite to each other.
[0519]
This is also true for the two TMR elements MTJ3 and MTJ4 in the device structures of FIGS. 2 and 3, for example.
[0520]
Each TMR element MTJ1, MTJ2. When the magnetization direction of the pinned layer can be individually set with respect to MTJ3 and MTJ4, for example, the magnetization direction of the pinned layer of the TMR element MTJ1 existing below the write bit line BLj0 and the write bit line BLj0 above By reversing the magnetization directions of the pinned layers of the TMR element MTJ2 existing in the above, the logic described in the above read operation principle and read circuit can be applied as it is.
[0521]
That is, the case where the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the storage layer are the same can be “1”, and the case where the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the storage layer are different can be “0”.
[0522]
Each TMR element MTJ1, MTJ2. Regarding MTJ3 and MTJ4, if the magnetization directions of the pinned layers are all the same, if the logic described in the above read operation principle and read circuit is applied as it is, further contrivance is required for the write operation or read operation. It becomes.
[0523]
For example, during the write operation, writing to the TMR element below the write bit line and writing to the TMR element above the write bit line are performed separately at different times, so that the magnetization direction of the pinned layer and the storage layer The case where the magnetization directions are the same can be “1”, and the case where the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the storage layer are different can be “0”.
[0524]
The condition “1” / “0” of the TMR element below the write bit line (the relationship between the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the storage layer) and “1” / “of the TMR element above the write bit line When the condition of “0” is reversed, it is necessary to change the logic for determining the data during the read operation.
[0525]
(3) Read word line driver
FIG. 70 shows a circuit example of the read word line driver.
The read word line driver 23B-0 includes an AND gate circuit AD5. The read signal READ and the upper row address signal are input to the AND gate circuit AD5.
[0526]
The read signal is a signal that becomes “1” during the read operation. The upper row address signal is the same as the upper row address signal in the write word line driver / sinker (FIG. 68). That is, the potential of the read word line RWL0 is determined based on the upper row address signal used for column selection among the plurality of bit address signals.
[0527]
In the selected row, since all the bits of the upper row address signal are “1”, the potential of the read word line RWL0 is “1”.
[0528]
(4) Column decoder
FIG. 71 shows a circuit example of the column decoder.
The column decoder 32 includes an AND gate circuit AD6. A read signal READ and a column address signal are input to the AND gate circuit AD6. The read signal is a signal that becomes “1” during the read operation. In the selected column, since all the bits of the column address signal are “1”, the potential of the column selection signal CSLj is “1”.
[0529]
(5) In the case of structural examples 4 and 5
(1) Write word line driver / sinker
FIG. 72 shows a circuit example of the write word line driver / sinker.
This figure shows only one row of the write word line driver / sinker corresponding to FIG.
[0530]
As can be seen from a comparison between FIG. 68 and FIG. 72, when the structural examples 4 and 5 are employed, the write word line driver / sinker is simplified.
[0531]
Specifically, in the case of FIG. 68, three drivers / sinkers for driving the three write word lines WWL0, WWL1, and WWL2 are required in one row. Therefore, it is sufficient to provide one driver / sinker for driving one write word line WWL0 in one row.
[0532]
The write word line driver 23A-0 includes a P-channel MOS transistor QP15 and a NAND gate circuit ND1. The write word line sinker 24-0 includes an N channel MOS transistor QN15.
[0533]
P-channel MOS transistor QP15 is connected between the power supply terminal and write word line WWL0. The output signal of NAND gate circuit ND1 is supplied to the gate of P channel MOS transistor QP15. N-channel MOS transistor QN15 is connected between write word line WWL0 and the ground terminal.
[0534]
When the output signal of the NAND gate circuit ND1 is “0”, a write current flows through the write word line WWL0.
[0535]
In such a write word line driver / sinker, the write signal WRITE is “1” during the write operation. One of the plurality of rows is selected based on the row address signal of a plurality of bits. In the selected row, all the bits of the upper row address signal are “1”. In the selected row, a write current flows through the write word line.
[0536]
(2) Write bit line driver / sinker
FIG. 73 shows a circuit example of the write bit line driver / sinker.
This figure shows only one row of the write word line driver / sinker, corresponding to FIG.
[0537]
As can be seen from a comparison between FIG. 69 and FIG. 73, when the structural examples 4 and 5 are employed, the write bit line driver / sinker is simplified.
[0538]
Specifically, in the case of FIG. 69, two drivers / sinkers for driving the two write bit lines BL00 and BL01 are required in one column, but in the case of FIG. It is sufficient to provide one driver / sinker for driving one write bit line BL01 in one column.
[0539]
The write bit line driver / sinker 31 includes P channel MOS transistors QP19 and QP21, N channel MOS transistors QN19 and QN21, NAND gate circuits ND5 and ND7, AND gate circuits AD2 and AD4, and inverters IV18 and IV20.
[0540]
P-channel MOS transistor QP19 is connected between the power supply terminal and write bit line BL01, and N-channel MOS transistor QN19 is connected between write bit line BL01 and the ground terminal. P-channel MOS transistor QP21 is connected between the power supply terminal and write bit line BL01, and N-channel MOS transistor QN21 is connected between write bit line BL01 and the ground terminal.
[0541]
When the output signal of the NAND gate circuit ND5 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD4 is “1”, a write current from the P channel MOS transistor QP19 to the N channel MOS transistor QN21 flows through the write bit line BL01. .
[0542]
When the output signal of the NAND gate circuit ND7 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD2 is “1”, a write current from the P channel MOS transistor QP21 to the N channel MOS transistor QN19 flows through the write bit line BL01. .
[0543]
In such a write bit line driver / sinker, the write signal WRITE is “1” during the write operation. In the selected column, all the bits of the column address signal of a plurality of bits are “1”.
[0544]
In addition, the direction of the write current flowing through the selected write bit line in the selected column is determined according to the value of the write data DATA.
[0545]
For example, if the write data DATA is “1”, the output signal of the NAND gate circuit ND5 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD4 becomes “1”. As a result, a write current flows from the P channel MOS transistor QP19 to the N channel MOS transistor QN21 through the write bit line BL01.
[0546]
When the write data DATA is “0”, the output signal of the NAND gate circuit ND7 is “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD2 is “1”. As a result, a write current flows from the P channel MOS transistor QP21 to the N channel MOS transistor QN19 through the write bit line BL01.
[0547]
7. Positional relationship between the pinned layer and storage layer of each TMR element
As in Structural Examples 1 to 6, for example, a TMR element is disposed above and below a write line (write word line or write bit line), and generated by a write current flowing through the write line. When writing data to the TMR element above or below using a magnetic field, the positional relationship between the pinned layer (fixed layer) and storage layer (free layer) of each TMR element, the magnetization direction of the pinned layer, etc. It is necessary to consider.
[0548]
This is because the write operation principle or the write circuit configuration changes depending on the positional relationship between the pin layer and the memory layer of each TMR element, the direction of the current flowing through the write line, and the like.
[0549]
(1) Positional relationship between the pinned layer and memory layer of each TMR element
As shown in FIG. 74, it is desirable that the positional relationship (relative relationship) between the pin layer and the storage layer of each TMR element (MTJ element) is symmetric with respect to the write line to be used.
[0550]
For example, with respect to a write line (a write word line or a write bit line), a TMR element is disposed above and below the write line, and a magnetic field generated by a write current flowing through the write line is used. When data is written to the TMR element at the bottom, the positional relationship between the pin layer and the storage layer of each TMR element is set to be symmetric with respect to the write line.
[0551]
Specifically, when the structure of the TMR element below the write line is a structure in which the memory layer exists on the side close to the write wiring and the pinned layer exists on the side far from it, the TMR above the write line is provided. Regarding the structure of the element, the memory layer is present on the side closer to the write wiring and the pinned layer is present on the side farther from the memory layer.
[0552]
Similarly, when the structure of the TMR element below the write line is a structure in which the pin layer is present on the side close to the write wiring and the memory layer is present on the side far from it, the structure of the TMR element above the write line is The structure is such that the pinned layer exists on the side closer to the write wiring and the storage layer exists on the side farther from the pinned layer.
[0553]
Such a positional relationship is established with respect to all the TMR elements in the memory cell array. Further, the TMR element disposed above and the TMR element disposed below the TMR element are arranged symmetrically with respect to all the write lines in the memory cell array.
[0554]
With such a positional relationship, the distance from the write line to the storage layer is substantially the same for all TMR elements. That is, since the influence of the magnetic field generated by the write current flowing in the write line is the same in all TMR elements, the write characteristics of all the TMR elements can be made the same.
[0555]
In this case, the direction of the TMR element disposed below (or above) the write line is opposite to the direction of the TMR element disposed above (or below) the write line. Become.
[0556]
However, the TMR elements in such a memory cell array are not all directed in the same direction. For example, regarding the TMR elements stacked in a plurality of stages, the direction of the TMR elements is different for each stage. For the invention, there is no demerit (the orientations here are only two types, upward and downward. In addition, as the definition of upper and lower, the semiconductor substrate side is defined as lower).
[0557]
This is because when the TMR element is formed, the direction of the TMR element can be easily changed only by changing the order of forming the layers constituting the TMR element.
[0558]
(2) Direction of magnetization of pinned layer of TMR element
A TMR element is disposed above and below the write line (write word line or write bit line), and a magnetic field generated by a write current flowing through the write line is used to place the TMR element above or below the write line. When writing data to a certain TMR element, it is necessary to change the write operation principle and the read operation principle depending on the magnetization direction of the pinned layer of the TMR element.
[0559]
This is because even if the direction of the current flowing through the write line is constant, the direction of the magnetic field applied to the TMR element disposed above the write line is opposite to the direction of the magnetic field applied to the TMR element disposed below the write line. Because.
[0560]
(1) When individually setting the magnetization direction of the pinned layer
When the magnetization direction of the pin layer can be individually set, the magnetization direction of the pin layer of the TMR element existing below the write line (write word line, write bit line) and above the write line are present. By reversing the magnetization directions of the pinned layers of the TMR element, the read operation principle and the write operation principle can be applied as usual.
[0561]
That is, the case where the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the storage layer are the same can be “1”, and the case where the magnetization direction of the pinned layer and the magnetization direction of the storage layer are different can be “0”.
[0562]
Specific examples will be described below.
As a precondition, as shown in FIGS. 75 and 76, the easy axes of the TMR elements MTJ1 and MTJ2 face the X direction (the direction in which the write word line extends) and are arranged below the write bit line BL00. It is assumed that the magnetization direction of the pinned layer of the TMR element MTJ1 is on the left side, and the magnetization direction of the pinned layer of the TMR element MTJ2 disposed above the write bit line BL00 is on the right side.
[0563]
Further, it is assumed that write data is determined by the direction of the write current flowing through the write bit line BL00, and only the write current flowing in one direction flows through the write word lines WWL0 and WWL1.
[0564]
・ When writing data to the TMR element below the write bit line
["1"-Write]
As shown in FIG. 75, a write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL0, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in the direction of being sucked into the paper surface. The magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a clockwise circle around the write bit line BL00.
[0565]
In this case, a leftward magnetic field is applied to the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is leftward.
[0566]
Therefore, the magnetization state of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is parallel and data “1” is written.
[0567]
["0"-Write]
A write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL0, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in a direction discharged from the paper surface. The magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a counterclockwise circle around the write bit line BL00.
[0568]
In this case, a rightward magnetic field is applied to the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is rightward.
[0569]
Accordingly, the magnetization state of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is antiparallel, and data “0” is written.
[0570]
・ When writing data to the TMR element above the write bit line
If the same data can be written to the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 under the same conditions as the write conditions for the TMR element MTJ1, the same write circuit is used for the two TMR elements MTJ1 and MTJ2. Write / read operations can be performed using the (write bit line driver / sinker) and the same read circuit.
[0571]
["1"-Write]
As shown in FIG. 76, a write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL1, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in the direction of being sucked into the paper surface.
[0572]
This write condition is the same as the “1” -write condition for the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. At this time, the magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a clockwise circle around the write bit line BL00.
[0573]
In this case, a rightward magnetic field is applied to the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is rightward.
[0574]
Accordingly, the magnetization state of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 becomes parallel and data “1” is written.
[0575]
Thus, by making the magnetization directions of the pinned layers of the TMR elements MTJ and MTJ2 different, the same data can be written to the TMR elements MTJ and MTJ2 under the same write conditions.
[0576]
["0"-Write]
A write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL1, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in a direction discharged from the paper surface.
[0577]
This write condition is the same as the “0” -write condition for the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. At this time, the magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a counterclockwise circle around the write bit line BL00.
[0578]
In this case, a leftward magnetic field is applied to the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is leftward.
[0579]
Accordingly, the magnetization state of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is antiparallel, and data “0” is written.
[0580]
Thus, by making the magnetization directions of the pinned layers of the TMR elements MTJ and MTJ2 different, the same data can be written to the TMR elements MTJ and MTJ2 under the same write conditions.
[0581]
(2) When the magnetization direction of the pinned layer of all TMR elements is the same
When the magnetization directions of the pinned layers of all the TMR elements are made the same, for example, after the wafer process is finished, a magnetic field in the same direction is applied to the pinned layers of all the TMR elements at once, and all the TMRs are instantaneously The magnetization direction of the pinned layer of the element can be determined.
[0582]
In particular, when a magnetic field is applied, the magnetization direction of the pinned layers of all TMR elements can be easily determined by increasing the temperature of the wafer.
[0583]
However, in this case, the same data cannot be written under the same write condition for the TMR element disposed below the write line and the TMR element disposed above the write line.
[0584]
Therefore, as a countermeasure, A. A configuration of the write circuit (write bit line driver / sinker), that is, a countermeasure for changing the configuration of the read circuit without changing the write condition; There are two countermeasures for changing the configuration of the write circuit (write bit line driver / sinker), that is, changing the write condition and not changing the configuration of the read circuit.
[0585]
Specific examples will be described below.
As a precondition, as shown in FIGS. 77 and 79, the easy axes of the TMR elements MTJ1 and MTJ2 face the X direction (the direction in which the write word line extends) and are arranged below the write bit line BL00. It is assumed that the magnetization direction of the pinned layer of the TMR element MTJ1 and the magnetization direction of the pinned layer of the TMR element MTJ2 arranged above the write bit line BL00 are both on the left side.
[0586]
Further, it is assumed that write data is determined by the direction of the write current flowing through the write bit line BL00, and only the write current flowing in one direction flows through the write word lines WWL0 and WWL1.
[0587]
A. When writing conditions are not changed
・ When writing data to the TMR element below the write bit line
["1"-Write]
As shown in FIG. 77, a write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL0, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in the direction of being sucked into the paper surface. The magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a clockwise circle around the write bit line BL00.
[0588]
In this case, a leftward magnetic field is applied to the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is leftward.
[0589]
Therefore, the magnetization state of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is parallel and data “1” is written.
[0590]
["0"-Write]
A write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL0, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in a direction discharged from the paper surface. The magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a counterclockwise circle around the write bit line BL00.
[0591]
In this case, a rightward magnetic field is applied to the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is rightward.
[0592]
Accordingly, the magnetization state of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is antiparallel, and data “0” is written.
[0593]
・ When writing data to the TMR element above the write bit line
For the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00, a write operation is executed using the same conditions as the write conditions for the TMR element MTJ1, that is, the same write circuit (write bit line driver / sinker).
[0594]
["1"-Write]
As shown in FIG. 78, a write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL1, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in the direction of being drawn into the paper surface.
[0595]
This write condition is the same as the “1” -write condition for the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. At this time, the magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a clockwise circle around the write bit line BL00.
[0596]
In this case, a rightward magnetic field is applied to the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is rightward.
[0597]
Therefore, the magnetization state of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is antiparallel, that is, a state where data “0” is stored.
[0598]
Here, since the write data to the TMR element MTJ2 is “1”, at the time of reading, “0” -data stored in the TMR element MTJ2 is read as “1” instead of “0”. There must be.
[0599]
Therefore, the configuration of the readout circuit is slightly changed.
[0600]
Basically, since the write data is stored in an inverted state with respect to the TMR element existing above the write bit line, the read circuit for reading the data of the TMR element existing above the write bit line is used. What is necessary is just to add one inverter to an output part (final stage).
[0601]
For example, in Structural Examples 1 to 6, the second-stage TMR element MTJ2 and the fourth-stage TMR element MTJ4 are arranged above the write bit line.
Therefore, for example, when the so-called collective reading operation principle is applied, one inverter may be added to the output portion of the logic circuit of FIGS.
[0602]
As described above, when the magnetization directions of the pinned layers of the TMR elements MTJ and MTJ2 are the same, the write data is stored in one of the TMR element disposed above the write line and the TMR element disposed below the TMR element. The opposite data is stored.
[0603]
Therefore, if one inverter is added to the output section (final stage) of the read circuit that reads the data of the TMR element in which the reverse data is stored, the configuration of the write circuit (write bit line driver / sinker) is not changed. A write operation can be performed.
[0604]
["0"-Write]
A write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL1, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in a direction discharged from the paper surface.
[0605]
This write condition is the same as the “0” -write condition for the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. At this time, the magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a counterclockwise circle around the write bit line BL00.
[0606]
In this case, a leftward magnetic field is applied to the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is leftward.
[0607]
Therefore, the magnetization state of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is parallel, that is, a state where data “1” is stored.
[0608]
Here, since the write data to the TMR element MTJ2 is “0”, at the time of reading, “1” -data stored in the TMR element MTJ2 is read as “0” instead of “1”. There must be.
[0609]
Therefore, as described above, if one inverter is added to the output section (final stage) of the read circuit for reading the data of the TMR element existing above the write bit line, the data is read without any problem. be able to.
[0610]
B. Changing the writing conditions
If the write condition is changed, for example, when the write data is “1”, the states of the TMR elements MTJ1 and MTJ2 can be made parallel, and when the write data is “0”, the TMR elements MTJ1 and MTJ1 are parallel. Both MTJ2 states can be antiparallel.
[0611]
That is, there is no need to change the readout circuit.
[0612]
・ When writing data to the TMR element below the write bit line
["1"-Write]
As shown in FIG. 77, a write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL0, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in the direction of being sucked into the paper surface. The magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a clockwise circle around the write bit line BL00.
[0613]
In this case, a leftward magnetic field is applied to the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is leftward.
[0614]
Therefore, the magnetization state of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is parallel and data “1” is written.
[0615]
["0"-Write]
A write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL0, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in a direction discharged from the paper surface. The magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a counterclockwise circle around the write bit line BL00.
[0616]
In this case, a rightward magnetic field is applied to the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is rightward.
[0617]
Accordingly, the magnetization state of the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is antiparallel, and data “0” is written.
[0618]
・ When writing data to the TMR element above the write bit line
["1"-Write]
As shown in FIG. 79, a write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL1, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in a direction discharged from the paper surface.
[0619]
This write condition is different from the “1” -write condition for the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. That is, assuming that the write data is the same, the direction of the write current flowing through the write line changes depending on whether the TMR element is present above or below the write line.
[0620]
Note that a write circuit (a write bit line driver / sinker for realizing such an operation will be described later.
[0621]
At this time, the magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a counterclockwise circle around the write bit line BL00.
[0622]
In this case, a leftward magnetic field is applied to the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is leftward.
[0623]
Therefore, the magnetization state of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is parallel, that is, a state where data “1” is stored.
[0624]
["0"-Write]
A write current flowing in one direction is supplied to the write word line WWL1, and a write current is supplied to the write bit line BL00 in the direction of being sucked into the paper surface.
[0625]
This write condition is different from the “0” -write condition for the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00. That is, assuming that the write data is the same, the direction of the write current flowing through the write line changes depending on whether the TMR element is present above or below the write line.
[0626]
At this time, the magnetic field generated by the write current flowing through the write bit line BL00 draws a clockwise circle around the write bit line BL00.
[0627]
In this case, a rightward magnetic field is applied to the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00. Therefore, the magnetization direction of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is rightward.
[0628]
Therefore, the magnetization state of the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is antiparallel, that is, a state where data “0” is stored.
[0629]
(3) Configuration of a write circuit (write bit line driver / sinker) when the magnetization directions of the pin layers of all TMR elements are the same
FIG. 80 shows a circuit example of the write bit line driver / sinker.
The circuit of FIG. 80 is a modification of the circuit of FIG. That is, the circuit of FIG. 80 is characterized in that the circuit in FIG. 69 has a new function, that is, a function of changing the direction of the write current based on the position information of the TMR element.
[0630]
This write bit line driver / sinker corresponds to the cell array structure of the magnetic random access memory of Structural Examples 1-6.
[0631]
The four TMR elements MTJ1, MTJ2, MTJ3, and MTJ4 constituting the read block are stacked in four stages, the write bit line BL00 is disposed between the TMR element MTJ1 and the TMR element MTJ2, and the TMR element MTJ3 and the TMR element MTJ4. It is assumed that the write bit line BL01 is arranged between.
[0632]
The TMR elements MTJ1 and MTJ3 are disposed below the write bit lines BL00 and BL01, and the TMR elements MTJ2 and MTJ4 are disposed above the write bit lines BL00 and BL01.
[0633]
In the figure, only one column of the write bit line driver / sinker is shown.
[0634]
The write bit line driver / sinker 29A includes P-channel MOS transistors QP18 and QP19, N-channel MOS transistors QN18 and QN19, NAND gate circuits ND4 and ND5, AND gate circuits AD1 and AD2, NOR gate circuit NR16, inverter IV17, and an exclusive OR circuit It consists of Ex-OR1, Ex-OR2, Ex-OR5 and an exclusive NOR circuit Ex-NR1.
[0635]
Write bit line driver / sinker 31 includes P channel MOS transistors QP20 and QP21, N channel MOS transistors QN20 and QN21, NAND gate circuits ND6 and ND7, AND gate circuits AD3 and AD4, NOR gate circuit NR17, inverter IV19, and an exclusive OR circuit It comprises Ex-OR3, Ex-OR4, Ex-OR6 and an exclusive NOR circuit Ex-NR2.
[0636]
P channel MOS transistor QP18 is connected between the power supply terminal and lower write bit line BL00, and N channel MOS transistor QN18 is connected between lower write bit line BL00 and the ground terminal. P channel MOS transistor QP20 is connected between the power supply terminal and lower write bit line BL00, and N channel MOS transistor QN20 is connected between lower write bit line BL00 and the ground terminal.
[0637]
When the output signal of the NAND gate circuit ND4 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD3 is “1”, the write bit line BL00 is directed from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31. Write current flows.
[0638]
When the output signal of the NAND gate circuit ND6 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD1 is “1”, the write bit line BL00 is directed from the write bit line driver / sinker 31 to the write bit line driver / sinker 29A. Write current flows.
[0639]
P channel MOS transistor QP19 is connected between the power supply terminal and upper write bit line BL01, and N channel MOS transistor QN19 is connected between upper write bit line BL01 and the ground terminal. P-channel MOS transistor QP21 is connected between the power supply terminal and upper write bit line BL01, and N-channel MOS transistor QN21 is connected between upper write bit line BL01 and the ground terminal.
[0640]
When the output signal of the NAND gate circuit ND5 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD4 is “1”, the write bit line BL01 is directed from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31. Write current flows.
[0641]
When the output signal of the NAND gate circuit ND7 is “0” and the output signal of the AND gate circuit AD2 is “1”, the write bit line BL01 is directed from the write bit line driver / sinker 31 to the write bit line driver / sinker 29A. Write current flows.
[0642]
In such a write bit line driver / sinker, the write signal WRITE is “1” during the write operation. In the selected column, all the bits of the column address signal of a plurality of bits are “1”.
[0643]
In this example, one of the two write bit lines BL00 and BL01 in one column is selected using one bit RA1 of the row address signals of a plurality of bits. For example, when RA1 is “0”, the write bit line BL00 is selected, and when RA1 is “1”, the write bit line BL01 is selected.
[0644]
In addition, the direction of the write current that flows through the selected write bit line in the selected column is determined according to the values of the write data DATA and RA0.
[0645]
Here, the value of RA0 determines whether to select the TMR elements MTJ1 and MTJ3 below the write bit lines BL00 and BL01 or to select the TMR elements MTJ2 and MTJ4 above the write bit lines BL00 and BL01. Signal.
[0646]
・ When BL00 is selected
For example, when the write bit line BL00 is selected (when RA1 = "0"), if RA0 = 0, the TMR element MTJ1 below the write bit line BL00 is selected.
[0647]
At this time, if the write data DATA is “1”, the output signals of the exclusive OR circuits Ex-OR1 to Ex-OR4 are all “1”. The output signals of the NOR gate circuits NR16 and NR17 are both “0”.
[0648]
Therefore, the output signal of the NAND gate circuit ND4 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD3 becomes “1”. As a result, a write current flows from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31 through the write bit line BL00.
[0649]
When the write data DATA is “0”, all the output signals of the exclusive OR circuits Ex-OR1 to Ex-OR4 are “0”. The output signals of the NOR gate circuits NR16 and NR17 are both “1”.
[0650]
Therefore, the output signal of the NAND gate circuit ND6 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD1 becomes “1”. As a result, a write current from the write bit line driver / sinker 31 toward the write bit line driver / sinker 29A flows through the write bit line BL00.
[0651]
For example, when the write bit line BL00 is selected (when RA1 = “0”), if RA0 = 1, the TMR element MTJ2 above the write bit line BL00 is selected.
[0652]
At this time, if the write data DATA is “1”, the output signals of the exclusive OR circuits Ex-OR1 to Ex-OR4 are all “0”. The output signals of the NOR gate circuits NR16 and NR17 are both “1”.
[0653]
Therefore, the output signal of the NAND gate circuit ND6 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD1 becomes “1”. As a result, a write current from the write bit line driver / sinker 31 toward the write bit line driver / sinker 29A flows through the write bit line BL00.
[0654]
When the write data DATA is “0”, all the output signals of the exclusive OR circuits Ex-OR1 to Ex-OR4 are “1”. The output signals of the NOR gate circuits NR16 and NR17 are both “0”.
[0655]
Therefore, the output signal of the NAND gate circuit ND4 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD3 becomes “1”. As a result, a write current flows from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31 through the write bit line BL00.
[0656]
・ When BL01 is selected
For example, when the write bit line BL01 is selected (when RA1 = "1"), if RA0 = 0, the TMR element MTJ3 below the write bit line BL01 is selected.
[0657]
At this time, if the write data DATA is “1”, the output signals of the exclusive OR circuits Ex-OR5 and Ex-OR6 are both “1”. Further, the output signals of the exclusive NOR circuits Ex-NR1 and Ex-NR2 are both “0”.
[0658]
Therefore, the output signal of the NAND gate circuit ND5 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD4 becomes “1”. As a result, a write current from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31 flows through the write bit line BL01.
[0659]
When the write data DATA is “0”, the output signals of the exclusive OR circuits Ex-OR5 and Ex-OR6 are both “0”. Further, the output signals of the exclusive NOR circuits Ex-NR1 and Ex-NR2 are both "1".
[0660]
Therefore, the output signal of the NAND gate circuit ND7 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD2 becomes “1”. As a result, a write current flows from the write bit line driver / sinker 31 to the write bit line driver / sinker 29A through the write bit line BL01.
[0661]
Further, for example, when the write bit line BL01 is selected (when RA1 = "1"), if RA0 = 1, the TMR element MTJ4 above the write bit line BL01 is selected.
[0662]
At this time, if the write data DATA is “1”, the output signals of the exclusive OR circuits Ex-OR5 and Ex-OR6 are both “0”. Further, the output signals of the exclusive NOR circuits Ex-NR1 and Ex-NR2 are both "1".
[0663]
Therefore, the output signal of the NAND gate circuit ND7 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD2 becomes “1”. As a result, a write current flows from the write bit line driver / sinker 31 to the write bit line driver / sinker 29A through the write bit line BL01.
[0664]
When the write data DATA is “0”, the output signals of the exclusive OR circuits Ex-OR5 and Ex-OR6 are both “1”. Further, the output signals of the exclusive NOR circuits Ex-NR1 and Ex-NR2 are both “0”.
[0665]
Therefore, the output signal of the NAND gate circuit ND5 becomes “0”, and the output signal of the AND gate circuit AD4 becomes “1”. As a result, a write current from the write bit line driver / sinker 29A to the write bit line driver / sinker 31 flows through the write bit line BL01.
[0666]
8). Production method
The cell array structure, the read operation principle, the TMR element structure, the peripheral circuit including the read circuit, and the positional relationship between the pinned layer and the storage layer with respect to the write line are as described above.
[0667]
Therefore, finally, a manufacturing method for realizing the magnetic random access memory of the present invention will be described.
[0668]
(1) Manufacturing method 1
In this manufacturing method 1, a plurality of TMR elements are stacked in a plurality of stages, and the plurality of TMR elements have a cell array structure (one switch-nMTJ structure) connected in series between a read bit line and a ground terminal. Applies to random access memory.
[0669]
First, a cell array structure completed by the manufacturing method of the present invention will be briefly described. Thereafter, a method for manufacturing the cell array structure will be described.
[0670]
(1) Cell array structure for manufacturing method 1
FIG. 81 shows an example of a cell array structure of a magnetic random access memory composed of a plurality of TMR elements in which one block is connected in series.
The cell array structure is characterized in that one read bit line is arranged in one column (Y direction), and a plurality of TMR elements connected in series are arranged immediately below. The plurality of TMR elements constitute one read block and are connected between the read bit line and the ground terminal.
[0671]
A read selection switch (MOS transistor) RSW is disposed in the surface region of the semiconductor substrate. The source of the read selection switch RSW is connected to the ground terminal via the source line SL. The source line SL is shared by two read blocks adjacent in the column direction. The source line SL extends, for example, in a straight line in the X direction (direction perpendicular to the paper surface).
[0672]
The gate of the read selection switch (MOS transistor) RSW is a read word line RWLn. The read word line RWLn extends in the X direction. Four TMR elements (MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements) are stacked on the read selection switch RSW.
[0673]
Each of the TMR elements is disposed between the lower electrode and the upper electrode, and is connected to each other in series by a contact plug. The lower electrode of the lowermost TMR element is connected to the drain of the read selection switch (MOS transistor) RSW. The upper electrode of the uppermost TMR element is connected to a read bit line BL0 extending in the Y direction by a contact plug.
[0674]
In one row, there are three write word lines WWL0, WWL1, WWL2 extending in the X direction, and in one column, there are two write bit lines BL00, BL01 extending in the Y direction.
[0675]
When the cell array structure is viewed from the top of the semiconductor substrate, for example, a plurality of stacked TMR elements are laid out so as to overlap each other. The three write word lines are also laid out so as to overlap each other. Further, the read bit line and the two write bit lines are also laid out so as to overlap each other.
[0676]
A contact plug for connecting a plurality of TMR elements in series is laid out at a position that does not overlap a write word line or a write bit line. The upper and lower electrodes of the TMR element are formed in a pattern that facilitates contact with the contact plug.
[0677]
(2) Each step of manufacturing method 1
A manufacturing method for realizing the cell array structure of FIG. 81 will be described below. Since a specific manufacturing method (for example, employing a dual damascene process) will be described here, it should be noted that elements not included in the cell array structure of FIG. 81 are also described. However, the outline of the finally completed cell array structure is almost the same as the cell array structure of FIG.
[0678]
・ Element separation step
First, as shown in FIG. 82, an element isolation insulating layer 52 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure is formed in a semiconductor substrate 51.
[0679]
The element isolation insulating layer 52 can be formed by the following process, for example.
[0680]
A mask pattern (such as silicon nitride) is formed on the semiconductor substrate 51 by PEP (Photo Engraving Process). Using this mask pattern as a mask, the semiconductor substrate 51 is etched using RIE (Reactive Ion Etching) to form a trench in the semiconductor substrate 51. For example, an insulating layer (silicon oxide or the like) is filled in the trench by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method and a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.
[0681]
Thereafter, if necessary, P-type impurities (B, BF) may be formed in the semiconductor substrate by ion implantation, for example.2Or N-type impurities (P, As, etc.) are implanted to form a P-type well region or an N-type well region.
[0682]
・ MOSFET formation step
Next, as shown in FIG. 83, a MOS transistor that functions as a read selection switch is formed in the surface region of the semiconductor substrate 51.
[0683]
The MOS transistor can be formed by the following process, for example.
[0684]
Impurities for controlling the threshold value of the MOS transistor are ion-implanted into the channel portion in the element region surrounded by the element isolation insulating layer 52. A gate insulating film (such as silicon oxide) 53 is formed in the element region by thermal oxidation. A gate electrode material (such as polysilicon containing impurities) and a cap insulating film (such as silicon nitride) 55 are formed on the gate insulating film 53 by CVD.
[0685]
After the cap insulating film 55 is patterned by PEP, the gate electrode material and the gate insulating film 53 are processed (etched) by RIE using the cap insulating film 55 as a mask. As a result, a gate electrode 54 extending in the X direction is formed on the semiconductor substrate 51.
[0686]
P-type impurities or N-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 51 by ion implantation using the cap insulating film 55 and the gate electrode 54 as a mask. Then, a low concentration impurity region (LDD region or extension region) is formed in the semiconductor substrate.
[0687]
An insulating film (such as silicon nitride) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 51 by the CVD method, and then the insulating film is etched by RIE, so that a sidewall insulating layer is formed on the side walls of the gate electrode 54 and the cap insulating film 55. 57 is formed. P-type impurities or N-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 51 by ion implantation using the cap insulating film 55, the gate electrode 54, and the sidewall insulating layers 57 as a mask. As a result, a source region 56A and a drain region 56B are formed in the semiconductor substrate 51.
Thereafter, an interlayer insulating film (eg, silicon oxide) 58 that completely covers the MOS transistor is formed on the entire semiconductor substrate 51 by CVD. Further, the surface of the interlayer insulating film 58 is planarized by using the CMP technique.
[0688]
・ Contact hole formation step
Next, as shown in FIGS. 84 and 85, a contact hole 59 reaching the source region 56A and the drain region 56B of the MOS transistor is formed in the interlayer insulating film 58 on the semiconductor substrate 51.
[0689]
The contact hole 59 can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 58 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 58 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0690]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 86, a wiring trench 60 is formed in the interlayer insulating film 58 on the semiconductor substrate 51. In this example, since the wiring groove 60 extends in the X direction, the wiring groove 60 overlaps the contact hole 59 when viewed in a cross section along the Y direction. Therefore, in the figure, the wiring groove 60 is indicated by a broken line.
[0691]
The wiring trench 60 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 58 by PEP, and etching the interlayer insulating film 58 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0692]
・ First wiring layer formation step
Next, as shown in FIG. 87, for example, a sputtering method is used to form barrier metal layers (Ti and TiN laminated layers) on the interlayer insulating film 58, on the inner surface of the contact hole 59, and on the inner surface of the wiring groove 60, respectively. Etc.) 61 is formed. Subsequently, a metal layer (W or the like) 62 that completely fills the contact hole 59 and the wiring groove 60 is formed on the barrier metal layer 61 by sputtering, for example.
[0693]
Thereafter, as shown in FIG. 88, the metal layer 62 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 62 is left only in the contact hole 59 and the wiring groove 60. The metal layer 62 remaining in the contact hole 59 becomes a contact plug, and the metal layer 62 remaining in the wiring groove 60 becomes a first wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 63 is formed on the interlayer insulating film 58 by CVD.
[0694]
Note that a step including a contact hole forming step, a wiring groove forming step, and a first wiring layer forming step is called a dual damascene process.
[0695]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 89, a wiring trench 64 is formed in the interlayer insulating film 63. In this example, the wiring trench 64 is a trench for forming a write word line and extends in the X direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) 65 for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench 64.
[0696]
The wiring trench 64 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 63 by PEP, and etching the interlayer insulating film 63 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0697]
The sidewall insulating layer 65 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 63 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[0698]
・ Second wiring layer formation step
Next, as shown in FIG. 90, for example, a barrier metal layer (a stack of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 63, the inner surface of the wiring groove 64, and the sidewall insulating layer 65 using a sputtering method. Etc.) 66 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 67 that completely fills the wiring trench 64 is formed on the barrier metal layer 66 by, for example, sputtering.
[0699]
Thereafter, as shown in FIG. 91, the metal layer 67 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 67 is left only in the wiring trench 64. The metal layer 67 remaining in the wiring trench 64 becomes a second wiring layer that functions as a write word line.
[0700]
In addition, an insulating layer (such as silicon nitride) 68 is formed on the interlayer insulating film 63 by CVD. Further, the insulating layer 68 is polished by CMP, and the insulating layer 68 is left only on the metal layer 67 as the second wiring layer. An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 69 that completely covers the metal layer 67 as the second wiring layer is formed on the interlayer insulating film 63.
[0701]
Note that a step including a wiring trench forming step and a second wiring layer forming step is called a damascene process.
[0702]
-Step of forming the lower electrode of the first MTJ element
Next, as shown in FIGS. 92 and 93, a contact hole reaching the metal layer 62 as the first wiring layer is formed in the interlayer insulating film 69.
[0703]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 69 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 63 and 69 by RIE using this resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0704]
Further, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 70 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (W or the like) 71 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 70 by sputtering, for example.
[0705]
Thereafter, the metal layer 71 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 71 is left only in the contact hole. The metal layer 71 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Also, a metal layer (Ta or the like) 72 to be the lower electrode of the first MTJ element is formed on the interlayer insulating film 69 by CVD.
[0706]
Step of forming the first MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIG. 94, a first MTJ element 73 is formed on the metal layer 72. The first MTJ element 73 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer. For example, the first MTJ element 73 has a structure as shown in FIG.
[0707]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 75A that completely covers the first MTJ element 73 is formed by CVD. Further, for example, the interlayer insulating film 75A is polished by CMP, and the interlayer insulating film 75A is left only between the first MTJ elements 73.
[0708]
Further, a metal layer (Ta or the like) 74 to be the upper electrode of the first MTJ element 73 is formed on the interlayer insulating film 75A by sputtering.
[0709]
-Patterning step of lower / upper electrode of the first MTJ element
Next, as shown in FIGS. 95 and 96, the lower electrode 72 and the upper electrode 74 of the first MTJ element 73 are patterned, respectively.
[0710]
For patterning the lower / upper electrodes 72, 74 of the first MTJ element 73, after forming a resist pattern on the upper electrode 74 by PEP, the lower / upper electrodes 72, 74 are formed by RIE using this resist pattern as a mask. This can be easily done by etching. Thereafter, the resist pattern is removed.
[0711]
An interlayer insulating film 75 that completely covers the upper electrode 74 of the first MTJ element 73 is formed by CVD.
[0712]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 97, a wiring groove 75 </ b> A is formed in the interlayer insulating film 75. In this example, the wiring groove 75A is a groove for forming a write bit line and extends in the Y direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) for the self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench 75A.
[0713]
The wiring trench 75A can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 75 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 75 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0714]
The sidewall insulating layer can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 75 by CVD and then etching the insulating film by RIE. .
[0715]
・ Step of forming the third wiring layer
Next, as shown in FIG. 98, for example, using a sputtering method, a barrier metal layer (such as a stack of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 75, the inner surface of the wiring trench 75A, and the sidewall insulating layer. ) 76 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 77 that completely fills the wiring trench 75A is formed on the barrier metal layer 76 by, for example, sputtering.
[0716]
Thereafter, as shown in FIG. 99, the metal layer 77 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 77 is left only in the wiring trench 75A. The metal layer 77 remaining in the wiring trench 75A becomes a third wiring layer that functions as a write bit line.
[0717]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 78 is formed on the interlayer insulating film 75 by a CVD method. Further, the insulating layer 78 is polished by the CMP method, and the insulating layer 78 is left only on the metal layer 77 as the third wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 79 that completely covers the metal layer 77 as the third wiring layer is formed on the interlayer insulating film 75.
[0718]
-Step of forming the lower electrode of the second MTJ element
Next, as shown in FIGS. 100 and 101, contact holes reaching the upper electrode 74 of the first MTJ element are formed in the interlayer insulating films 75 and 79.
[0719]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 79 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 75 and 79 by RIE using this resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0720]
Also, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 80 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 81 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 80 by sputtering, for example.
[0721]
Thereafter, the metal layer 81 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 81 is left only in the contact hole. The metal layer 81 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer (Ta or the like) 82 to be the lower electrode of the second MTJ element is formed on the interlayer insulating film 79 by sputtering.
[0722]
Step of forming the second MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIG. 102, the second MTJ element 84 is formed on the metal layer 82. The second MTJ element 84 includes a tunnel barrier and two ferromagnetic layers and an antiferromagnetic layer sandwiching the tunnel barrier, and has a structure as shown in FIG. 46, for example.
[0723]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 83 that completely covers the second MTJ element 84 is formed by CVD. Further, for example, the interlayer insulating film 83 is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 83 is left only between the second MTJ elements 84.
[0724]
In addition, a metal layer (such as Ta) 85 to be the upper electrode of the second MTJ element 84 is formed on the interlayer insulating film 83 by sputtering.
[0725]
-Patterning step of the lower / upper electrode of the second MTJ element
Next, as shown in FIGS. 103 and 104, the lower electrode 82 and the upper electrode 85 of the second MTJ element 84 are patterned, respectively.
[0726]
For patterning the lower / upper electrodes 82, 85 of the second MTJ element 84, after forming a resist pattern on the upper electrode 85 by PEP, the lower / upper electrodes 82, 85 are formed by RIE using this resist pattern as a mask. This can be easily done by etching. Thereafter, the resist pattern is removed.
[0727]
An interlayer insulating film 86 that completely covers the upper electrode 85 of the second MTJ element 84 is formed by CVD.
[0728]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 105, a wiring groove 87 is formed in the interlayer insulating film 86. In this example, the wiring groove 87 is a groove for forming a write word line and extends in the X direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) 88 for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring groove 87.
[0729]
The wiring groove 87 can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 86 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 86 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0730]
The sidewall insulating layer 88 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 86 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[0731]
・ Step of forming the fourth wiring layer
Next, as shown in FIG. 106, for example, a barrier metal layer (a stack of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 86, on the inner surface of the wiring groove 87, and on the sidewall insulating layer 88 by sputtering. Etc.) 89 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 91 that completely fills the wiring groove 87 is formed on the barrier metal layer 89 by sputtering, for example.
[0732]
Thereafter, as shown in FIG. 107, the metal layer 91 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 91 is left only in the wiring trench 87. The metal layer 91 remaining in the wiring trench 87 becomes a fourth wiring layer that functions as a write word line.
[0733]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 92 is formed on the interlayer insulating film 86 by a CVD method. Further, the insulating layer 92 is polished by CMP, and the insulating layer 92 is left only on the metal layer 91 as the fourth wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 93 that completely covers the metal layer 91 as the fourth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 86.
[0734]
-Step of forming the lower electrode of the third MTJ element
Next, as shown in FIGS. 108 and 109, contact holes reaching the upper electrode 85 of the second MTJ element are formed in the interlayer insulating films 86 and 93.
[0735]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 93 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 86 and 93 by RIE using this resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0736]
Further, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 94 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 95 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 94 by sputtering, for example.
[0737]
Thereafter, the metal layer 95 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 95 is left only in the contact hole. The metal layer 95 remaining in the contact hole becomes a contact plug. In addition, a metal layer (Ta or the like) 96 serving as a lower electrode of the third MTJ element is formed on the interlayer insulating film 93 by sputtering.
[0738]
-Step of forming the third MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIG. 110, the third MTJ element 97 is formed on the metal layer 96. The third MTJ element 97 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer, and has a structure as shown in FIG. 47, for example.
[0739]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 98 that completely covers the third MTJ element 97 is formed by CVD. Further, for example, the interlayer insulating film 98 is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 98 is left only between the third MTJ elements 97.
[0740]
In addition, a metal layer (Ta or the like) 99 serving as the upper electrode of the third MTJ element 97 is formed on the interlayer insulating film 98 by sputtering.
[0741]
-Patterning step of the lower / upper electrode of the third MTJ element
Next, as shown in FIGS. 111 and 112, the lower electrode 96 and the upper electrode 99 of the third MTJ element 97 are patterned, respectively.
[0741]
For patterning the lower / upper electrodes 96, 99 of the third MTJ element 97, after forming a resist pattern on the upper electrode 99 by PEP, the lower / upper electrodes 96, 99 are formed by RIE using this resist pattern as a mask. This can be easily done by etching. Thereafter, the resist pattern is removed.
[0743]
An interlayer insulating film 100 that completely covers the upper electrode 99 of the third MTJ element 97 is formed by CVD.
[0744]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 113, a wiring trench 100 </ b> A is formed in the interlayer insulating film 100. In this example, the wiring groove 100A is a groove for forming a write bit line and extends in the Y direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench 100A.
[0745]
The wiring trench 100A can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 100 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 100 by RIE using the resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0746]
The sidewall insulating layer can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 100 by a CVD method and then etching the insulating film by RIE. .
[0747]
・ Fifth wiring layer formation step
Next, as shown in FIG. 114, for example, using a sputtering method, a barrier metal layer (such as a stack of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 100, the inner surface of the wiring groove 100A, and the sidewall insulating layer. ) 101 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 102 that completely fills the wiring trench 100A is formed on the barrier metal layer 101 by, for example, sputtering.
[0748]
Thereafter, as shown in FIG. 115, for example, the CMP method is used to polish the metal layer 102, leaving the metal layer 102 only in the wiring trench 100A. The metal layer 102 remaining in the wiring trench 100A becomes a fifth wiring layer that functions as a write bit line.
[0749]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 103 is formed on the interlayer insulating film 100 by a CVD method. Further, this insulating layer 103 is polished by CMP, and this insulating layer 103 is left only on the metal layer 102 as the fifth wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 104 that completely covers the metal layer 102 as the fifth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 100.
[0750]
-Step of forming the lower electrode of the fourth MTJ element
Next, as shown in FIGS. 116 and 117, a contact hole reaching the upper electrode 99 of the third MTJ element is formed in the interlayer insulating films 100 and 104.
[0751]
This contact hole can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 104 by PEP, and etching the interlayer insulating films 100 and 104 by RIE using this resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0752]
Also, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 105 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 106 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 105 by sputtering, for example.
[0753]
Thereafter, the metal layer 106 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 106 is left only in the contact hole. The metal layer 106 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer (Ta or the like) 107 to be the lower electrode of the fourth MTJ element is formed on the interlayer insulating film 104 by sputtering.
[0754]
-Step of forming the fourth MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIG. 118, a fourth MTJ element 108 is formed on the metal layer 107. The fourth MTJ element 108 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer, and has a structure as shown in FIG. 48, for example.
[0755]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 109 that completely covers the fourth MTJ element 108 is formed by CVD. Further, for example, the interlayer insulating film 109 is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 109 is left only between the fourth MTJ elements 108.
[0756]
Also, a metal layer (Ta or the like) 110 to be the upper electrode of the fourth MTJ element 108 is formed on the interlayer insulating film 109 by sputtering.
[0757]
-Patterning step of lower / upper electrode of 4th MTJ element
Next, as shown in FIGS. 119 and 120, the lower electrode 107 and the upper electrode 110 of the fourth MTJ element 108 are patterned, respectively.
[0758]
For patterning of the lower / upper electrodes 107, 110 of the fourth MTJ element 108, after forming a resist pattern on the upper electrode 110 by PEP, the lower / upper electrodes 107, 110 are formed by RIE using this resist pattern as a mask. This can be easily done by etching. Thereafter, the resist pattern is removed.
[0759]
An interlayer insulating film 111 that completely covers the upper electrode 110 of the fourth MTJ element 108 is formed using a CVD method.
[0760]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 121, a wiring trench 112 is formed in the interlayer insulating film 111. In this example, the wiring trench 112 is a trench for forming a write word line and extends in the X direction. Sidewall insulating layers (such as silicon nitride) 113 for a self-aligned contact process are formed on the side surfaces of the wiring trench 112.
[0761]
The wiring trench 112 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 111 by PEP, and etching the interlayer insulating film 111 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0762]
The sidewall insulating layer 113 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 111 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[0763]
・ Step of forming the sixth wiring layer
Next, as shown in FIG. 122, for example, using a sputtering method, a barrier metal layer (a stack of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 111, the inner surface of the wiring groove 112, and the sidewall insulating layer 113. Etc.) 114. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 115 that completely fills the wiring trench 112 is formed on the barrier metal layer 114 by sputtering, for example.
[0764]
Thereafter, as shown in FIGS. 123 and 124, the metal layer 115 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 115 is left only in the wiring trench 112. The metal layer 115 remaining in the wiring trench 112 becomes a sixth wiring layer that functions as a write word line.
[0765]
In addition, an insulating layer (such as silicon nitride) 116 is formed over the interlayer insulating film 111 by a CVD method. Further, the insulating layer 116 is polished by the CMP method, and the insulating layer 116 is left only on the metal layer 115 as the sixth wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 117 that completely covers the metal layer 115 as the sixth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 111.
[0766]
・ Step of forming the seventh wiring layer
Next, as shown in FIGS. 125 and 126, contact holes reaching the upper electrode 110 of the fourth MTJ element are formed in the interlayer insulating films 111 and 117.
[0767]
The contact holes can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 117 by, for example, PEP, and etching the interlayer insulating films 111 and 117 by RIE using the resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0768]
In addition, a wiring trench for forming a read bit line is formed in the interlayer insulating film 117.
[0769]
The wiring trench can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 117 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 117 by RIE using the resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0770]
Thereafter, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 118 is formed on the interlayer insulating film 117, on the inner surface of the contact hole, and on the inner surface of the wiring groove by sputtering, for example. Subsequently, a metal layer (W or the like) 119 that completely fills the contact hole and the wiring groove is formed on the barrier metal layer 118 by sputtering, for example.
[0771]
Further, the metal layer 119 and the barrier metal layer 117 are polished by, for example, a CMP method, and the metal layer 119 and the barrier metal layer 117 are left only in the contact hole and the wiring groove. The metal layer 119 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Also, the metal layer 119 remaining in the wiring trench becomes a seventh wiring layer that functions as a read bit line.
[0772]
▲ 3 ▼ Summary
According to this manufacturing method 1, a cell array structure (one switch-nMTJ structure) in which a plurality of TMR elements are stacked in a plurality of stages and the plurality of TMR elements are connected in series between a read bit line and a ground terminal. Can be realized.
[0773]
In this example, the damascene process and the dual damascene process are employed in forming the wiring layer. However, instead of this, for example, a process of processing the wiring layer by etching may be employed.
[0774]
(2) Manufacturing method 2
In this manufacturing method 2, a plurality of TMR elements are stacked in a plurality of stages, and a magnetic array having a cell array structure (one switch-nMTJ structure) in which the plurality of TMR elements are connected in parallel between a read bit line and a ground terminal. Applies to random access memory.
[0775]
First, a cell array structure completed by the manufacturing method of the present invention will be briefly described. Thereafter, a method for manufacturing the cell array structure will be described.
[0776]
(1) Cell array structure for manufacturing method 2
FIG. 127 shows an example of a cell array structure of a magnetic random access memory composed of a plurality of TMR elements in which one block is connected in parallel.
The cell array structure is characterized in that one read bit line is arranged in one column (Y direction), and a plurality of TMR elements connected in parallel are arranged immediately below. The plurality of TMR elements constitute one read block and are connected between the read bit line and the ground terminal.
[0777]
A read selection switch (MOS transistor) RSW is disposed in the surface region of the semiconductor substrate. The source of the read selection switch RSW is connected to the ground terminal via the source line SL. The source line SL is shared by two read blocks adjacent in the column direction. The source line SL extends, for example, in a straight line in the X direction (direction perpendicular to the paper surface).
[0778]
The gate of the read selection switch (MOS transistor) RSW is a read word line RWLn. The read word line RWLn extends in the X direction. Four TMR elements (MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements) are stacked on the read selection switch RSW.
[0779]
Each of the TMR elements is disposed between the lower electrode and the upper electrode, and is connected in parallel to each other by a contact plug. The lower electrode of the lowermost TMR element is connected to the drain of the read selection switch (MOS transistor) RSW. The upper electrode of the uppermost TMR element is connected to a read bit line BL0 extending in the Y direction by a contact plug.
[0780]
In one row, there are three write word lines WWL0, WWL1, WWL2 extending in the X direction, and in one column, there are two write bit lines BL00, BL01 extending in the Y direction.
[0781]
When the cell array structure is viewed from the top of the semiconductor substrate, for example, a plurality of stacked TMR elements are laid out so as to overlap each other. The three write word lines are also laid out so as to overlap each other. Further, the read bit line and the two write bit lines are also laid out so as to overlap each other.
[0782]
A contact plug for connecting a plurality of TMR elements in series is laid out at a position that does not overlap a write word line or a write bit line. The upper and lower electrodes of the TMR element are formed in a pattern that facilitates contact with the contact plug.
[0783]
(2) Each step of manufacturing method 2
Hereinafter, a manufacturing method for realizing the cell array structure of FIG. 127 will be described. Since a specific manufacturing method (for example, employing a dual damascene process) will be described here, it should be noted that elements not included in the cell array structure of FIG. 127 are also described. However, the outline of the finally completed cell array structure is almost the same as the cell array structure of FIG.
[0784]
・ Element separation step
First, as shown in FIG. 128, an element isolation insulating layer 52 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure is formed in a semiconductor substrate 51.
[0785]
The element isolation insulating layer 52 can be formed by the following process, for example.
[0786]
A mask pattern (such as silicon nitride) is formed on the semiconductor substrate 51 by PEP (Photo Engraving Process). Using this mask pattern as a mask, the semiconductor substrate 51 is etched using RIE (Reactive Ion Etching) to form a trench in the semiconductor substrate 51. For example, an insulating layer (silicon oxide or the like) is filled in the trench by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method and a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.
[0787]
Thereafter, if necessary, P-type impurities (B, BF) may be formed in the semiconductor substrate by ion implantation, for example.2Or N-type impurities (P, As, etc.) are implanted to form a P-type well region or an N-type well region.
[0788]
・ MOSFET formation step
Next, as shown in FIG. 129, a MOS transistor that functions as a read selection switch is formed in the surface region of the semiconductor substrate 51.
[0789]
The MOS transistor can be formed by the following process, for example.
[0790]
Impurities for controlling the threshold value of the MOS transistor are ion-implanted into the channel portion in the element region surrounded by the element isolation insulating layer 52. A gate insulating film (such as silicon oxide) 53 is formed in the element region by thermal oxidation. A gate electrode material (such as polysilicon containing impurities) and a cap insulating film (such as silicon nitride) 55 are formed on the gate insulating film 53 by CVD.
[0791]
After the cap insulating film 55 is patterned by PEP, the gate electrode material and the gate insulating film 53 are processed (etched) by RIE using the cap insulating film 55 as a mask. As a result, a gate electrode 54 extending in the X direction is formed on the semiconductor substrate 51.
[0792]
P-type impurities or N-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 51 by ion implantation using the cap insulating film 55 and the gate electrode 54 as a mask. Then, a low concentration impurity region (LDD region or extension region) is formed in the semiconductor substrate.
[0793]
An insulating film (such as silicon nitride) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 51 by the CVD method, and then the insulating film is etched by RIE, so that a sidewall insulating layer is formed on the side walls of the gate electrode 54 and the cap insulating film 55. 57 is formed. P-type impurities or N-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 51 by ion implantation using the cap insulating film 55, the gate electrode 54, and the sidewall insulating layers 57 as a mask. As a result, a source region 56A and a drain region 56B are formed in the semiconductor substrate 51.
Thereafter, an interlayer insulating film (eg, silicon oxide) 58 that completely covers the MOS transistor is formed on the entire semiconductor substrate 51 by CVD. Further, the surface of the interlayer insulating film 58 is planarized by using the CMP technique.
[0794]
・ Contact hole formation step
Next, as shown in FIGS. 130 and 131, contact holes 59 reaching the source region 56 </ b> A and the drain region 56 </ b> B of the MOS transistor are formed in the interlayer insulating film 58 on the semiconductor substrate 51.
[0795]
The contact hole 59 can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 58 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 58 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0796]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 132, a wiring trench 60 is formed in the interlayer insulating film 58 on the semiconductor substrate 51. In this example, since the wiring groove 60 extends in the X direction, the wiring groove 60 overlaps the contact hole 59 when viewed in a cross section along the Y direction. Therefore, in the figure, the wiring groove 60 is indicated by a broken line.
[0797]
The wiring trench 60 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 58 by PEP, and etching the interlayer insulating film 58 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0798]
・ First wiring layer formation step
Next, as shown in FIG. 133, for example, a barrier metal layer (Ti and TiN laminated layers) is formed on the interlayer insulating film 58, on the inner surface of the contact hole 59, and on the inner surface of the wiring groove 60 by sputtering. Etc.) 61 is formed. Subsequently, a metal layer (W or the like) 62 that completely fills the contact hole 59 and the wiring groove 60 is formed on the barrier metal layer 61 by sputtering, for example.
[0799]
Thereafter, as shown in FIG. 134, the metal layer 62 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 62 is left only in the contact hole 59 and the wiring groove 60. The metal layer 62 remaining in the contact hole 59 becomes a contact plug, and the metal layer 62 remaining in the wiring groove 60 becomes a first wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 63 is formed on the interlayer insulating film 58 by CVD.
[0800]
Note that a step including a contact hole forming step, a wiring groove forming step, and a first wiring layer forming step is called a dual damascene process.
[0801]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 135, a wiring trench 64 is formed in the interlayer insulating film 63. In this example, the wiring trench 64 is a trench for forming a write word line and extends in the X direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) 65 for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench 64.
[0802]
The wiring trench 64 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 63 by PEP, and etching the interlayer insulating film 63 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0803]
The sidewall insulating layer 65 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 63 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[0804]
・ Second wiring layer formation step
Next, as shown in FIG. 136, for example, using a sputtering method, a barrier metal layer (a stack of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 63, the inner surface of the wiring groove 64, and the sidewall insulating layer 65. Etc.) 66 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 67 that completely fills the wiring trench 64 is formed on the barrier metal layer 66 by, for example, sputtering.
[0805]
Thereafter, as shown in FIG. 137, the metal layer 67 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 67 is left only in the wiring trench 64. The metal layer 67 remaining in the wiring trench 64 becomes a second wiring layer that functions as a write word line.
[0806]
In addition, an insulating layer (such as silicon nitride) 68 is formed on the interlayer insulating film 63 by CVD. Further, the insulating layer 68 is polished by CMP, and the insulating layer 68 is left only on the metal layer 67 as the second wiring layer. An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 69 that completely covers the metal layer 67 as the second wiring layer is formed on the interlayer insulating film 63.
[0807]
Note that a step including a wiring trench forming step and a second wiring layer forming step is called a damascene process.
[0808]
-Step of forming the lower electrode of the first MTJ element
Next, as shown in FIGS. 138 and 139, a contact hole reaching the metal layer 62 as the first wiring layer is formed in the interlayer insulating film 69.
[0809]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 69 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 63 and 69 by RIE using this resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0810]
Further, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 70 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (W or the like) 71 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 70 by sputtering, for example.
[0811]
Thereafter, the metal layer 71 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 71 is left only in the contact hole. The metal layer 71 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 72 to be the lower electrode of the first MTJ element is formed on the interlayer insulating film 69 by sputtering.
[0812]
Step of forming the first MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIGS. 140 and 141, the first MTJ element 73 is formed on the metal layer 72. The first MTJ element 73 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer. For example, the first MTJ element 73 has a structure as shown in FIG.
[0813]
In this example, a protective insulating layer (such as silicon oxide) 73 </ b> A that protects the first MTJ element 73 is formed on the side surface of the first MTJ element 73. The protective insulating layer 73A can be easily formed on the side surface of the first MTJ element 73 by using the CVD method and the RIE method.
[0814]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 75B that completely covers the first MTJ element 73 is formed by CVD. Further, the interlayer insulating film 75B is polished by, for example, a CMP method, and the interlayer insulating film 75B is left only between the first MTJ elements 73.
[0815]
Further, as shown in FIG. 142, a metal layer 74 to be the upper electrode of the first MTJ element 73 is formed on the interlayer insulating film 75B by sputtering. Subsequently, an alumina layer 74A that protects the first MTJ element 73 is formed on the metal layer 74 by a CVD method.
[0816]
Thereafter, a resist pattern is formed by PEP, and the alumina layer 74A, the metal layer 74, and the interlayer insulating film 75B are patterned using the resist pattern as a mask. At the same time, the surface of the metal layer 72 as the lower electrode of the first MTJ element 73 is exposed.
[0817]
When the alumina layer 74A is formed again and the alumina layer 74A is etched by RIE, the alumina layer 74A remains in a form covering the metal layer 74 as the upper electrode and the upper portion and the side wall portion of the first MTJ element 73. .
[0818]
Thereafter, an interlayer insulating film 75 that completely covers the first MTJ element 73 is formed by CVD.
[0819]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 143, for example, a wiring groove 75A is formed in the interlayer insulating film 75 by RIE using the resist pattern as a mask. At this time, since the alumina layer 74A functions as an etching stopper, the bottom of the wiring groove 75A does not reach the metal layer 74 and the first MTJ element 73.
[0820]
In this example, the wiring groove 75A is a groove for forming a write bit line and extends in the Y direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) for the self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench 75A.
[0821]
The wiring trench 75A can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 75 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 75 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0822]
The sidewall insulating layer can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 75 by CVD and then etching the insulating film by RIE. .
[0823]
・ Step of forming the third wiring layer
Next, as shown in FIG. 144, for example, a sputtering method is used to form barrier metal layers (such as a stack of Ta and TaN) on the interlayer insulating film 75, on the inner surface of the wiring trench 75A, and on the sidewall insulating layers. ) 76 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 77 that completely fills the wiring trench 75A is formed on the barrier metal layer 76 by, for example, sputtering.
[0824]
Thereafter, the metal layer 77 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 77 is left only in the wiring groove 75A. The metal layer 77 remaining in the wiring trench 75A becomes a third wiring layer that functions as a write bit line.
[0825]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 78 is formed on the interlayer insulating film 75 by a CVD method. Further, the insulating layer 78 is polished by the CMP method, and the insulating layer 78 is left only on the metal layer 77 as the third wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 79 that completely covers the metal layer 77 as the third wiring layer is formed on the interlayer insulating film 75.
[0826]
-Step of forming the lower electrode of the second MTJ element
Next, as shown in FIGS. 145 and 146, contact holes reaching the upper electrode 74 of the first MTJ element are formed in the interlayer insulating films 75 and 79 and the alumina layer 74A.
[0827]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 79 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 75 and 79 and the alumina layer 74A by RIE using the resist pattern as a mask. Can be formed. After this etching, the resist pattern is removed.
[0828]
Also, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 80 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 81 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 80 by sputtering, for example.
[0829]
Thereafter, the metal layer 81 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 81 is left only in the contact hole. The metal layer 81 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 82 to be the lower electrode of the second MTJ element is formed on the interlayer insulating film 79 by sputtering.
[0830]
Step of forming the second MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIGS. 147 and 148, the second MTJ element 84 is formed on the metal layer 82. The second MTJ element 84 includes a tunnel barrier and two ferromagnetic layers and an antiferromagnetic layer sandwiching the tunnel barrier, and has a structure as shown in FIG. 46, for example.
[0831]
In this example, a protective insulating layer (such as silicon oxide) 83A that protects the second MTJ element 84 is formed on the side surface of the second MTJ element 84. The protective insulating layer 83A can be easily formed on the side surface of the second MTJ element 84 by using the CVD method and the RIE method.
[0832]
Thereafter, the lower electrode 82 of the second MTJ element 84 is patterned. The lower electrode 82 of the second MTJ element 84 can be easily patterned by forming a resist pattern on the lower electrode 82 by PEP and then etching the lower electrode 82 by RIE using the resist pattern as a mask. . Thereafter, the resist pattern is removed.
[0833]
Next, as shown in FIG. 149, an alumina layer 83B that protects the second MTJ element 84 is formed on the second MTJ element 84 by the CVD method. Thereafter, the alumina layer 83B is etched by RIE, and as a result, the alumina layer 83B remains on the side wall portion of the second MTJ element 84.
[0834]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 84B that completely covers the second MTJ element 84 is formed by using the CVD method. Further, for example, the interlayer insulating film 84B is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 84B is left only between the second MTJ elements 84.
[0835]
In addition, a contact hole reaching the lower electrode 72 of the first MTJ element is formed in the interlayer insulating films 75, 79, and 84B.
[0836]
This contact hole is easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 84B by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 75, 79, and 84B by RIE using this resist pattern as a mask. be able to. After this etching, the resist pattern is removed.
[0837]
In this etching step, the etching rates of the alumina layers 74A, 83B are set to be sufficiently smaller than the etching rates of the interlayer insulating films 75, 79, 84B.
[0838]
That is, according to this example, even if the contact hole is misaligned, the alumina layers 74A and 83B protect the first and second MTJ elements 73 and 84, and therefore the first and second MTJ elements 73 and 84 are The situation of being etched does not occur.
[0839]
Next, as shown in FIG. 150, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 85A is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 85B that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 85A by sputtering, for example.
[0840]
Thereafter, the metal layer 85B is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 85B is left only in the contact hole. The metal layer 85B remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 85 to be the upper electrode of the second MTJ element 84 is formed on the interlayer insulating film 84B by sputtering. Subsequently, an alumina layer 85C that protects the second MTJ element 84 is formed on the metal layer 85 by a CVD method.
[0841]
Thereafter, as shown in FIG. 151, a resist pattern is formed by PEP, and the alumina layer 85C and the metal layer 85 are patterned using the resist pattern as a mask. After the alumina layer 85C is formed again, when the alumina layer 85C is etched by RIE, the alumina layer 85C remains in a form covering the metal layer 85 as the upper electrode and the upper and side wall portions of the second MTJ element 84. .
[0841]
Thereafter, an interlayer insulating film 86 that completely covers the second MTJ element 85 is formed by CVD.
[0843]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 152, for example, a wiring groove 87 is formed in the interlayer insulating film 86 by RIE using the resist pattern as a mask. At this time, since the alumina layer 85C functions as an etching stopper, the bottom of the wiring groove 87 does not reach the metal layer 85 and the second MTJ element 84.
[0844]
In this example, the wiring groove 87 is a groove for forming a write word line and extends in the X direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) 88 for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring groove 87.
[0845]
The wiring groove 87 can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 86 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 86 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0846]
The sidewall insulating layer 88 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 86 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[0847]
・ Step of forming the fourth wiring layer
Next, as shown in FIG. 153, for example, a barrier metal layer (stacking of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 86, on the inner surface of the wiring groove 87, and on the sidewall insulating layer 88 by sputtering. Etc.) 89 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 90 that completely fills the wiring trench 87 is formed on the barrier metal layer 89 by, for example, sputtering.
[0848]
Thereafter, the metal layer 90 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 90 is left only in the wiring groove 87. The metal layer 90 remaining in the wiring trench 87 becomes a fourth wiring layer that functions as a write word line.
[0849]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 92 is formed on the interlayer insulating film 86 by a CVD method. Further, the insulating layer 92 is polished by CMP, and the insulating layer 92 is left only on the metal layer 90 as the fourth wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 93 that completely covers the metal layer 90 as the fourth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 86.
[0850]
-Step of forming the lower electrode of the third MTJ element
Next, as shown in FIGS. 154 and 155, a contact hole reaching the upper electrode 85 of the second MTJ element 84 is formed in the interlayer insulating films 86 and 93.
[0851]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 93 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 86 and 93 by RIE using this resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0852]
Further, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 94 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 95 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 94 by sputtering, for example.
[0853]
Thereafter, the metal layer 95 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 95 is left only in the contact hole. The metal layer 95 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 96 to be the lower electrode of the third MTJ element is formed on the interlayer insulating film 93 by the CVD method.
[0854]
-Step of forming the third MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIGS. 156 and 157, the third MTJ element 97 is formed on the metal layer 96. The third MTJ element 97 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer, and has a structure as shown in FIG. 47, for example.
[0855]
In this example, a protective insulating layer (such as silicon oxide) 97A that protects the third MTJ element 97 is formed on the side surface of the third MTJ element 97. The protective insulating layer 97A can be easily formed on the side surface of the third MTJ element 97 by using the CVD method and the RIE method.
[0856]
Thereafter, the lower electrode 96 of the third MTJ element 97 is patterned. The lower electrode 96 of the third MTJ element 97 can be easily patterned by forming a resist pattern on the lower electrode 96 by PEP and then etching the lower electrode 96 by RIE using the resist pattern as a mask. . Thereafter, the resist pattern is removed.
[0857]
Next, as shown in FIG. 158, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 98 that completely covers the third MTJ element 97 is formed by CVD. Further, for example, the interlayer insulating film 98 is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 98 is left only between the third MTJ elements 97.
[0858]
Thereafter, contact holes reaching the lower electrode 82 of the second MTJ element 84 are formed in the interlayer insulating films 86, 93, 98.
[0859]
This contact hole is easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 98 by, for example, PEP, and etching the interlayer insulating films 86, 93, 98 by RIE using this resist pattern as a mask. be able to. After this etching, the resist pattern is removed.
[0860]
Next, as shown in FIG. 159, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 99A is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 99B that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 99A by, for example, sputtering.
[0861]
Thereafter, the metal layer 99B is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 99B is left only in the contact hole. The metal layer 99B remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 99 to be the upper electrode of the third MTJ element is formed on the interlayer insulating film 98 by the CVD method.
[0862]
Also, an alumina layer 99C that protects the third MTJ element 97 is formed on the upper electrode 99 of the third MTJ element 97 by CVD.
[0863]
Next, as shown in FIG. 160, a resist pattern is formed by PEP, and the alumina layer 99C and the metal layer 99 are patterned using the resist pattern as a mask. After the alumina layer 99C is formed again, when the alumina layer 99C is etched by RIE, the alumina layer 99C remains in a form covering the metal layer 99 as the upper electrode and the upper part and the side wall part of the third MTJ element 97. .
[0864]
Thereafter, an interlayer insulating film 100 that completely covers the third MTJ element 97 is formed by CVD.
[0865]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIGS. 161 and 162, a wiring groove extending in the Y direction is formed in the interlayer insulating film 100 by RIE, for example, using the resist pattern as a mask. At this time, since the alumina layer 99C functions as an etching stopper, the bottom of the wiring groove does not reach the metal layer 99 and the third MTJ element 97.
[0866]
In this example, the wiring groove is a groove for forming a write bit line and extends in the Y direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench.
[0867]
The wiring trench can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 100 by PEP, and etching the interlayer insulating film 100 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0868]
The sidewall insulating layer can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 100 by a CVD method and then etching the insulating film by RIE. .
[0869]
・ Fifth wiring layer formation step
Next, as shown in FIGS. 161 and 162, for example, using a sputtering method, a barrier metal layer (Ta and TaN layers) is formed on the interlayer insulating film 100, the inner surface of the wiring trench, and the sidewall insulating layer, respectively. 101) is formed. Subsequently, a metal layer (Cu or the like) 102 that completely fills the wiring groove is formed on the barrier metal layer 101 by, for example, sputtering.
[0870]
Thereafter, the metal layer 102 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 102 is left only in the wiring trench. The metal layer 102 remaining in the wiring trench becomes a fifth wiring layer functioning as a write bit line.
[0871]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 103 is formed on the interlayer insulating film 100 by a CVD method. Further, this insulating layer 103 is polished by CMP, and this insulating layer 103 is left only on the metal layer 102 as the fifth wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 104 that completely covers the metal layer 102 as the fifth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 100.
[0872]
-Step of forming the lower electrode of the fourth MTJ element
Next, as shown in FIGS. 163 and 164, contact holes reaching the upper electrode 99 of the third MTJ element 97 are formed in the interlayer insulating films 100 and 104 and the alumina layer 99C.
[0873]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 104 by PEP and etching the interlayer insulating films 100 and 104 and the alumina layer 99C by RIE using the resist pattern as a mask. Can be formed. After this etching, the resist pattern is removed.
[0874]
Further, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 80X is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 81X that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 80X by sputtering, for example.
[0875]
Thereafter, the metal layer 81X is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 81X is left only in the contact hole. The metal layer 81X remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 107 to be the lower electrode of the fourth MTJ element is formed on the interlayer insulating film 104 by sputtering.
[0876]
-Step of forming the fourth MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIGS. 163 and 164, the fourth MTJ element 108 is formed on the metal layer 107. The fourth MTJ element 108 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer, and has a structure as shown in FIG. 48, for example.
[0877]
In this example, a protective insulating layer (such as silicon oxide) 108A that protects the fourth MTJ element 108 is formed on the side surface of the fourth MTJ element 108. The protective insulating layer 108A can be easily formed on the side surface of the fourth MTJ element 108 by using the CVD method and the RIE method.
[0878]
Thereafter, the lower electrode 107 of the fourth MTJ element 108 is patterned. The patterning of the lower electrode 107 of the fourth MTJ element 108 can be easily performed by forming a resist pattern on the lower electrode 107 by PEP and then etching the lower electrode 107 by RIE using this resist pattern as a mask. . Thereafter, the resist pattern is removed.
[0879]
Next, as shown in FIG. 165, an alumina layer 108B that protects the fourth MTJ element 108 is formed on the fourth MTJ element 108 by CVD. Thereafter, the alumina layer 108B is etched by RIE, and as a result, the alumina layer 108B remains on the side wall portion of the fourth MTJ element 108.
[0880]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 109 that completely covers the fourth MTJ element 108 is formed by CVD. Further, for example, the interlayer insulating film 109 is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 109 is left only between the fourth MTJ elements 108.
[0881]
Further, contact holes reaching the lower electrode 96 of the third MTJ element 97 are formed in the interlayer insulating films 100, 104, and 109.
[0882]
This contact hole is easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 109 by, for example, PEP, and etching the interlayer insulating films 100, 104, and 109 by RIE using this resist pattern as a mask. be able to. After this etching, the resist pattern is removed.
[0883]
In this etching step, the etching rates of the alumina layers 99C and 108B are set to be sufficiently smaller than the etching rates of the interlayer insulating films 100, 104, and 109.
[0884]
That is, according to the present example, even if contact hole misalignment occurs, the alumina layers 99C and 108B protect the third and fourth MTJ elements 97 and 108, so that the third and fourth MTJ elements 97 and 108 are The situation of being etched does not occur.
[0885]
Next, as shown in FIG. 166, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 105 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 106 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 105 by sputtering, for example.
[0886]
Thereafter, the metal layer 106 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 106 is left only in the contact hole. The metal layer 106 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 107 to be the upper electrode of the fourth MTJ element 108 is formed on the interlayer insulating film 109 by sputtering. Subsequently, an alumina layer 107A that protects the fourth MTJ element 108 is formed on the metal layer 107 by a CVD method.
[0887]
Next, as shown in FIG. 167, a resist pattern is formed by PEP, and the alumina layer 107A and the metal layer 107 are patterned using the resist pattern as a mask.
[0888]
After the alumina layer 107A is formed again, when the alumina layer 107A is etched by RIE, the alumina layer 107A remains so as to cover the metal layer 107 as the upper electrode and the upper and side wall portions of the fourth MTJ element 108. .
[0889]
Thereafter, an interlayer insulating film 111 that completely covers the fourth MTJ element 108 is formed by CVD.
[0890]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIGS. 168 and 169, for example, a wiring groove 112 extending in the X direction is formed in the interlayer insulating film 111 by RIE using the resist pattern as a mask. At this time, since the alumina layer 107A functions as an etching stopper, the bottom of the wiring groove 112 does not reach the metal layer 107 and the fourth MTJ element 108.
[0891]
In this example, the wiring trench 112 is a trench for forming a write word line and extends in the X direction. Sidewall insulating layers (such as silicon nitride) 113 for a self-aligned contact process are formed on the side surfaces of the wiring trench 112.
[0892]
The wiring trench 112 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 111 by PEP, and etching the interlayer insulating film 111 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0893]
The sidewall insulating layer 113 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 111 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[0894]
・ Step of forming the sixth wiring layer
Next, as shown in FIGS. 168 and 169, for example, using a sputtering method, barrier metal layers (Ta and Ta) are formed on the interlayer insulating film 111, the inner surface of the wiring groove 112, and the sidewall insulating layer 113, respectively. (TaN stack or the like) 114 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 115 that completely fills the wiring trench 112 is formed on the barrier metal layer 114 by sputtering, for example.
[0895]
Thereafter, the metal layer 115 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 115 is left only in the wiring groove 112. The metal layer 115 remaining in the wiring trench 112 becomes a sixth wiring layer that functions as a write word line.
[0896]
In addition, an insulating layer (such as silicon nitride) 116 is formed over the interlayer insulating film 111 by a CVD method. Further, the insulating layer 116 is polished by the CMP method, and the insulating layer 116 is left only on the metal layer 115 as the sixth wiring layer.
[0897]
・ Step of forming the seventh wiring layer
Next, as shown in FIGS. 170 and 171, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 117 that completely covers the metal layer 115 as the sixth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 111. A contact hole reaching the lower electrode 107 of the fourth MTJ element is formed in the interlayer insulating films 111 and 117.
[0898]
The contact holes can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 117 by, for example, PEP, and etching the interlayer insulating films 111 and 117 by RIE using the resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0899]
In addition, a wiring trench for forming a read bit line is formed in the interlayer insulating film 117.
[0900]
The wiring trench can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 117 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 117 by RIE using the resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0901]
Thereafter, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 118 is formed on the interlayer insulating film 117, on the inner surface of the contact hole, and on the inner surface of the wiring groove by sputtering, for example. Subsequently, a metal layer (W or the like) 119 that completely fills the contact hole and the wiring groove is formed on the barrier metal layer 118 by sputtering, for example.
[0902]
Further, the metal layer 119 and the barrier metal layer 117 are polished by, for example, a CMP method, and the metal layer 119 and the barrier metal layer 117 are left only in the contact hole and the wiring groove. The metal layer 119 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Also, the metal layer 119 remaining in the wiring trench becomes a seventh wiring layer that functions as a read bit line.
[0903]
▲ 3 ▼ Summary
According to this manufacturing method 2, a cell array structure (one switch-nMTJ structure) in which a plurality of TMR elements are stacked in a plurality of stages and the plurality of TMR elements are connected in parallel between a read bit line and a ground terminal. Can be realized.
[0904]
In this example, the damascene process and the dual damascene process are employed in forming the wiring layer. However, instead of this, for example, a process of processing the wiring layer by etching may be employed.
[0905]
(3) Manufacturing method 3
This manufacturing method 3 has a cell array structure (one switch-nMTJ structure) in which a plurality of TMR elements are stacked in a plurality of stages, and the plurality of TMR elements are connected in series and parallel between a read bit line and a ground terminal. Applied to magnetic random access memory.
[0906]
First, a cell array structure completed by the manufacturing method of the present invention will be briefly described. Thereafter, a method for manufacturing the cell array structure will be described.
[0907]
(1) Cell array structure for manufacturing method 3
FIG. 172 shows an example of a cell array structure of a magnetic random access memory composed of a plurality of TMR elements in which one block is connected in series and parallel.
The cell array structure is characterized in that one read bit line is arranged in one column (Y direction), and a plurality of TMR elements connected in series and parallel are arranged immediately below. The plurality of TMR elements constitute one read block and are connected between the read bit line and the ground terminal.
[0908]
A read selection switch (MOS transistor) RSW is disposed in the surface region of the semiconductor substrate. The source of the read selection switch RSW is connected to the ground terminal via the source line SL. The source line SL is shared by two read blocks adjacent in the column direction. The source line SL extends, for example, in a straight line in the X direction (direction perpendicular to the paper surface).
[0909]
The gate of the read selection switch (MOS transistor) RSW is a read word line RWLn. The read word line RWLn extends in the X direction. Four TMR elements (MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements) are stacked on the read selection switch RSW.
[0910]
Each of the TMR elements is disposed between the lower electrode and the upper electrode, and is connected in series and parallel to each other by a contact plug. The lower electrode of the lowermost TMR element is connected to the drain of the read selection switch (MOS transistor) RSW. The upper electrode of the uppermost TMR element is connected to a read bit line BL0 extending in the Y direction by a contact plug.
[0911]
In one row, there are three write word lines WWL0, WWL1, WWL2 extending in the X direction, and in one column, there are two write bit lines BL00, BL01 extending in the Y direction.
[0912]
When the cell array structure is viewed from the top of the semiconductor substrate, for example, a plurality of stacked TMR elements are laid out so as to overlap each other. The three write word lines are also laid out so as to overlap each other. Further, the read bit line and the two write bit lines are also laid out so as to overlap each other.
[0913]
A contact plug for connecting a plurality of TMR elements in series is laid out at a position that does not overlap a write word line or a write bit line. The upper and lower electrodes of the TMR element are formed in a pattern that facilitates contact with the contact plug.
[0914]
(2) Each step of manufacturing method 3
Hereinafter, a manufacturing method for realizing the cell array structure of FIG. 172 will be described. Here, since a specific manufacturing method (for example, adoption of a dual damascene process) will be described, it should be noted that elements not included in the cell array structure of FIG. 172 are also described. However, the outline of the finally completed cell array structure is almost the same as the cell array structure of FIG.
[0915]
・ Element separation step
First, as shown in FIG. 173, an element isolation insulating layer 52 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure is formed in a semiconductor substrate 51.
[0916]
The element isolation insulating layer 52 can be formed by the following process, for example.
[0917]
A mask pattern (such as silicon nitride) is formed on the semiconductor substrate 51 by PEP (Photo Engraving Process). Using this mask pattern as a mask, the semiconductor substrate 51 is etched using RIE (Reactive Ion Etching) to form a trench in the semiconductor substrate 51. For example, an insulating layer (silicon oxide or the like) is filled in the trench by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method and a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.
[0918]
Thereafter, if necessary, P-type impurities (B, BF) may be formed in the semiconductor substrate by ion implantation, for example.2Or N-type impurities (P, As, etc.) are implanted to form a P-type well region or an N-type well region.
[0919]
・ MOSFET formation step
Next, as shown in FIG. 174, a MOS transistor that functions as a read selection switch is formed in the surface region of the semiconductor substrate 51.
[0920]
The MOS transistor can be formed by the following process, for example.
[0921]
Impurities for controlling the threshold value of the MOS transistor are ion-implanted into the channel portion in the element region surrounded by the element isolation insulating layer 52. A gate insulating film (such as silicon oxide) 53 is formed in the element region by thermal oxidation. A gate electrode material (such as polysilicon containing impurities) and a cap insulating film (such as silicon nitride) 55 are formed on the gate insulating film 53 by CVD.
[0922]
After the cap insulating film 55 is patterned by PEP, the gate electrode material and the gate insulating film 53 are processed (etched) by RIE using the cap insulating film 55 as a mask. As a result, a gate electrode 54 extending in the X direction is formed on the semiconductor substrate 51.
[0923]
P-type impurities or N-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 51 by ion implantation using the cap insulating film 55 and the gate electrode 54 as a mask. Then, a low concentration impurity region (LDD region or extension region) is formed in the semiconductor substrate.
[0924]
An insulating film (such as silicon nitride) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 51 by the CVD method, and then the insulating film is etched by RIE, so that a sidewall insulating layer is formed on the side walls of the gate electrode 54 and the cap insulating film 55. 57 is formed. P-type impurities or N-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 51 by ion implantation using the cap insulating film 55, the gate electrode 54, and the sidewall insulating layers 57 as a mask. As a result, a source region 56A and a drain region 56B are formed in the semiconductor substrate 51.
Thereafter, an interlayer insulating film (eg, silicon oxide) 58 that completely covers the MOS transistor is formed on the entire semiconductor substrate 51 by CVD. Further, the surface of the interlayer insulating film 58 is planarized by using the CMP technique.
[0925]
・ Contact hole formation step
Next, as shown in FIGS. 175 and 176, contact holes 59 reaching the source region 56 </ b> A and the drain region 56 </ b> B of the MOS transistor are formed in the interlayer insulating film 58 on the semiconductor substrate 51.
[0926]
The contact hole 59 can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 58 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 58 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0927]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 177, a wiring trench 60 is formed in the interlayer insulating film 58 on the semiconductor substrate 51. In this example, since the wiring groove 60 extends in the X direction, the wiring groove 60 overlaps the contact hole 59 when viewed in a cross section along the Y direction. Therefore, in the figure, the wiring groove 60 is indicated by a broken line.
[0928]
The wiring trench 60 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 58 by PEP, and etching the interlayer insulating film 58 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0929]
・ First wiring layer formation step
Next, as shown in FIG. 178, for example, a sputtering method is used to form barrier metal layers (lamination of Ti and TiN) on the interlayer insulating film 58, on the inner surface of the contact hole 59, and on the inner surface of the wiring groove 60. Etc.) 61 is formed. Subsequently, a metal layer (W or the like) 62 that completely fills the contact hole 59 and the wiring groove 60 is formed on the barrier metal layer 61 by sputtering, for example.
[0930]
Thereafter, as shown in FIG. 179, the metal layer 62 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 62 is left only in the contact hole 59 and the wiring groove 60. The metal layer 62 remaining in the contact hole 59 becomes a contact plug, and the metal layer 62 remaining in the wiring groove 60 becomes a first wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 63 is formed on the interlayer insulating film 58 by CVD.
[0931]
Note that a step including a contact hole forming step, a wiring groove forming step, and a first wiring layer forming step is called a dual damascene process.
[0932]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 180, a wiring groove 64 is formed in the interlayer insulating film 63. In this example, the wiring trench 64 is a trench for forming a write word line and extends in the X direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) 65 for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench 64.
[0933]
The wiring trench 64 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 63 by PEP, and etching the interlayer insulating film 63 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0934]
The sidewall insulating layer 65 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 63 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[0935]
・ Second wiring layer formation step
Next, as shown in FIG. 181, for example, a sputtering method is used to form barrier metal layers (Ta and TaN laminated layers) on the interlayer insulating film 63, the inner surface of the wiring trench 64, and the sidewall insulating layer 65, respectively. Etc.) 66 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 67 that completely fills the wiring trench 64 is formed on the barrier metal layer 66 by, for example, sputtering.
[0936]
Thereafter, as shown in FIG. 182, the metal layer 67 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 67 is left only in the wiring trench 64. The metal layer 67 remaining in the wiring trench 64 becomes a second wiring layer that functions as a write word line.
[0937]
In addition, an insulating layer (such as silicon nitride) 68 is formed on the interlayer insulating film 63 by CVD. Further, the insulating layer 68 is polished by CMP, and the insulating layer 68 is left only on the metal layer 67 as the second wiring layer. An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 69 that completely covers the metal layer 67 as the second wiring layer is formed on the interlayer insulating film 63.
[0938]
Note that a step including a wiring trench forming step and a second wiring layer forming step is called a damascene process.
[0939]
-Step of forming the lower electrode of the first MTJ element
Next, as shown in FIGS. 183 and 184, a contact hole reaching the metal layer 62 as the first wiring layer is formed in the interlayer insulating film 69.
[0940]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 69 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 63 and 69 by RIE using this resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[0941]
Further, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 70 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (W or the like) 71 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 70 by sputtering, for example.
[0942]
Thereafter, the metal layer 71 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 71 is left only in the contact hole. The metal layer 71 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 72 to be the lower electrode of the first MTJ element is formed on the interlayer insulating film 69 by sputtering.
[0943]
Step of forming the first MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIGS. 185 and 186, the first MTJ element 73 is formed on the metal layer 72. The first MTJ element 73 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer. For example, the first MTJ element 73 has a structure as shown in FIG.
[0944]
In this example, a protective insulating layer (such as silicon oxide) 73 </ b> A that protects the first MTJ element 73 is formed on the side surface of the first MTJ element 73. The protective insulating layer 73A can be easily formed on the side surface of the first MTJ element 73 by using the CVD method and the RIE method.
[0945]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 75B that completely covers the first MTJ element 73 is formed by CVD. Further, the interlayer insulating film 75B is polished by, for example, a CMP method, and the interlayer insulating film 75B is left only between the first MTJ elements 73.
[0946]
Further, as shown in FIG. 187, a metal layer 74 to be the upper electrode of the first MTJ element 73 is formed on the interlayer insulating film 75B by sputtering. Subsequently, an alumina layer 74A that protects the first MTJ element 73 is formed on the metal layer 74 by a CVD method.
[0947]
Thereafter, a resist pattern is formed by PEP, and the alumina layer 74A, the metal layer 74, and the interlayer insulating film 75B are patterned using the resist pattern as a mask. At the same time, the surface of the metal layer 72 as the lower electrode of the first MTJ element 73 is exposed.
[0948]
When the alumina layer 74A is formed again and the alumina layer 74A is etched by RIE, the alumina layer 74A remains in a form covering the metal layer 74 as the upper electrode and the upper portion and the side wall portion of the first MTJ element 73. .
[0949]
Thereafter, an interlayer insulating film 75 that completely covers the first MTJ element 73 is formed by CVD.
[0950]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 188, for example, a wiring groove 75A is formed in the interlayer insulating film 75 by RIE using the resist pattern as a mask. At this time, since the alumina layer 74A functions as an etching stopper, the bottom of the wiring groove 75A does not reach the metal layer 74 and the first MTJ element 73.
[0951]
In this example, the wiring groove 75A is a groove for forming a write bit line and extends in the Y direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) for the self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench 75A.
[0952]
The wiring trench 75A can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 75 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 75 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0953]
The sidewall insulating layer can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 75 by CVD and then etching the insulating film by RIE. .
[0954]
・ Step of forming the third wiring layer
Next, as shown in FIG. 189, for example, using a sputtering method, a barrier metal layer (such as a stack of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 75, on the inner surface of the wiring trench 75A, and on the sidewall insulating layer. ) 76 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 77 that completely fills the wiring trench 75A is formed on the barrier metal layer 76 by, for example, sputtering.
[0955]
Thereafter, the metal layer 77 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 77 is left only in the wiring groove 75A. The metal layer 77 remaining in the wiring trench 75A becomes a third wiring layer that functions as a write bit line.
[0956]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 78 is formed on the interlayer insulating film 75 by a CVD method. Further, the insulating layer 78 is polished by the CMP method, and the insulating layer 78 is left only on the metal layer 77 as the third wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 79 that completely covers the metal layer 77 as the third wiring layer is formed on the interlayer insulating film 75.
[0957]
-Step of forming the lower electrode of the second MTJ element
Next, as shown in FIGS. 190 and 191, contact holes reaching the upper electrode 74 of the first MTJ element are formed in the interlayer insulating films 75 and 79 and the alumina layer 74A.
[0958]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 79 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 75 and 79 and the alumina layer 74A by RIE using the resist pattern as a mask. Can be formed. After this etching, the resist pattern is removed.
[0959]
Also, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 80 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 81 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 80 by sputtering, for example.
[0960]
Thereafter, the metal layer 81 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 81 is left only in the contact hole. The metal layer 81 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 82 to be the lower electrode of the second MTJ element is formed on the interlayer insulating film 79 by sputtering.
[0961]
Step of forming the second MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIGS. 192 and 193, the second MTJ element 84 is formed on the metal layer 82. The second MTJ element 84 includes a tunnel barrier and two ferromagnetic layers and an antiferromagnetic layer sandwiching the tunnel barrier, and has a structure as shown in FIG. 46, for example.
[0962]
In this example, a protective insulating layer (such as silicon oxide) 83A that protects the second MTJ element 84 is formed on the side surface of the second MTJ element 84. The protective insulating layer 83A can be easily formed on the side surface of the second MTJ element 84 by using the CVD method and the RIE method.
[0964]
Thereafter, the lower electrode 82 of the second MTJ element 84 is patterned. The lower electrode 82 of the second MTJ element 84 can be easily patterned by forming a resist pattern on the lower electrode 82 by PEP and then etching the lower electrode 82 by RIE using the resist pattern as a mask. . Thereafter, the resist pattern is removed.
[0964]
Next, as shown in FIG. 194, an alumina layer 83B that protects the second MTJ element 84 is formed on the second MTJ element 84 by the CVD method. Thereafter, the alumina layer 83B is etched by RIE, and as a result, the alumina layer 83B remains on the side wall portion of the second MTJ element 84.
[0965]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 84B that completely covers the second MTJ element 84 is formed by using the CVD method. Further, for example, the interlayer insulating film 84B is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 84B is left only between the second MTJ elements 84.
[0966]
In addition, a contact hole reaching the lower electrode 72 of the first MTJ element is formed in the interlayer insulating films 75, 79, and 84B.
[0967]
This contact hole is easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 84B by PEP, for example, and etching the interlayer insulating films 75, 79, and 84B by RIE using this resist pattern as a mask. be able to. After this etching, the resist pattern is removed.
[0968]
In this etching step, the etching rates of the alumina layers 74A, 83B are set to be sufficiently smaller than the etching rates of the interlayer insulating films 75, 79, 84B.
[0969]
That is, according to this example, even if the contact hole is misaligned, the alumina layers 74A and 83B protect the first and second MTJ elements 73 and 84, and therefore the first and second MTJ elements 73 and 84 are The situation of being etched does not occur.
[0970]
Next, as shown in FIG. 195, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 85A is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 85B that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 85A by sputtering, for example.
[0971]
Thereafter, the metal layer 85B is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 85B is left only in the contact hole. The metal layer 85B remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 85 to be the upper electrode of the second MTJ element 84 is formed on the interlayer insulating film 84B by sputtering. Subsequently, an alumina layer 85C that protects the second MTJ element 84 is formed on the metal layer 85 by a CVD method.
[0972]
Thereafter, as shown in FIG. 196, a resist pattern is formed by PEP, and the alumina layer 85C and the metal layer 85 are patterned using the resist pattern as a mask. After the alumina layer 85C is formed again, when the alumina layer 85C is etched by RIE, the alumina layer 85C remains in a form covering the metal layer 85 as the upper electrode and the upper and side wall portions of the second MTJ element 84. .
[0973]
Thereafter, an interlayer insulating film 86 that completely covers the second MTJ element 85 is formed by CVD.
[0974]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIG. 197, for example, a wiring groove 87 is formed in the interlayer insulating film 86 by RIE using the resist pattern as a mask. At this time, since the alumina layer 85C functions as an etching stopper, the bottom of the wiring groove 87 does not reach the metal layer 85 and the second MTJ element 84.
[0975]
In this example, the wiring groove 87 is a groove for forming a write word line and extends in the X direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) 88 for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring groove 87.
[0976]
The wiring groove 87 can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 86 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 86 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0977]
The sidewall insulating layer 88 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 86 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[0978]
・ Step of forming the fourth wiring layer
Next, as shown in FIG. 198, for example, using a sputtering method, a barrier metal layer (a stack of Ta and TaN) is formed on the interlayer insulating film 86, the inner surface of the wiring groove 87, and the sidewall insulating layer 88. Etc.) 89 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 90 that completely fills the wiring trench 87 is formed on the barrier metal layer 89 by, for example, sputtering.
[0979]
Thereafter, the metal layer 90 is polished using, for example, a CMP method, and the metal layer 90 is left only in the wiring groove 87. The metal layer 90 remaining in the wiring trench 87 becomes a fourth wiring layer that functions as a write word line.
[0980]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 92 is formed on the interlayer insulating film 86 by a CVD method. Further, the insulating layer 92 is polished by CMP, and the insulating layer 92 is left only on the metal layer 90 as the fourth wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 93 that completely covers the metal layer 90 as the fourth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 86.
[0981]
-Step of forming the lower electrode of the third MTJ element
Next, as shown in FIGS. 199 and 200, a metal layer 96 to be the lower electrode of the third MTJ element is formed on the interlayer insulating film 93 by the CVD method.
[0982]
Here, in the manufacturing method 3, compared with the manufacturing method 2, the step of forming a contact hole reaching the upper electrode 85 of the second MTJ element is omitted in order to connect the TMR elements stacked in four stages in series and parallel. is doing.
[0983]
-Step of forming the third MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIGS. 201 and 202, the third MTJ element 97 is formed on the metal layer 96. The third MTJ element 97 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer, and has a structure as shown in FIG. 47, for example.
[0984]
In this example, a protective insulating layer (such as silicon oxide) 97A that protects the third MTJ element 97 is formed on the side surface of the third MTJ element 97. The protective insulating layer 97A can be easily formed on the side surface of the third MTJ element 97 by using the CVD method and the RIE method.
[0985]
Thereafter, the lower electrode 96 of the third MTJ element 97 is patterned. The lower electrode 96 of the third MTJ element 97 can be easily patterned by forming a resist pattern on the lower electrode 96 by PEP and then etching the lower electrode 96 by RIE using the resist pattern as a mask. . Thereafter, the resist pattern is removed.
[0986]
Next, as shown in FIG. 203, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 98 that completely covers the third MTJ element 97 is formed by CVD. Further, for example, the interlayer insulating film 98 is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 98 is left only between the third MTJ elements 97.
[0987]
Thereafter, contact holes reaching the lower electrode 82 of the second MTJ element 84 are formed in the interlayer insulating films 86, 93, 98.
[0988]
This contact hole is easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 98 by, for example, PEP, and etching the interlayer insulating films 86, 93, 98 by RIE using this resist pattern as a mask. be able to. After this etching, the resist pattern is removed.
[0989]
Next, as shown in FIG. 204, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 99A is formed on the inner surface of the contact hole using, for example, sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 99B that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 99A by, for example, sputtering.
[0990]
Thereafter, the metal layer 99B is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 99B is left only in the contact hole. The metal layer 99B remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 99 to be the upper electrode of the third MTJ element is formed on the interlayer insulating film 98 by the CVD method.
[0991]
Also, an alumina layer 99C that protects the third MTJ element 97 is formed on the upper electrode 99 of the third MTJ element 97 by CVD.
[0992]
Next, as shown in FIG. 205, a resist pattern is formed by PEP, and the alumina layer 99C and the metal layer 99 are patterned using this resist pattern as a mask. After the alumina layer 99C is formed again, when the alumina layer 99C is etched by RIE, the alumina layer 99C remains in a form covering the metal layer 99 as the upper electrode and the upper part and the side wall part of the third MTJ element 97. .
[0993]
Thereafter, an interlayer insulating film 100 that completely covers the third MTJ element 97 is formed by CVD.
[0994]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIGS. 206 and 207, for example, a wiring groove extending in the Y direction is formed in the interlayer insulating film 100 by RIE using the resist pattern as a mask. At this time, since the alumina layer 99C functions as an etching stopper, the bottom of the wiring groove does not reach the metal layer 99 and the third MTJ element 97.
[0995]
In this example, the wiring groove is a groove for forming a write bit line and extends in the Y direction. A sidewall insulating layer (such as silicon nitride) for a self-aligned contact process is formed on the side surface of the wiring trench.
[0996]
The wiring trench can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 100 by PEP, and etching the interlayer insulating film 100 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[0997]
The sidewall insulating layer can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 100 by a CVD method and then etching the insulating film by RIE. .
[0998]
・ Fifth wiring layer formation step
Next, as shown in FIGS. 206 and 207, for example, sputtering is used to form barrier metal layers (Ta and TaN layers) on the interlayer insulating film 100, the inner surface of the wiring trench, and the sidewall insulating layer, respectively. 101) is formed. Subsequently, a metal layer (Cu or the like) 102 that completely fills the wiring groove is formed on the barrier metal layer 101 by, for example, sputtering.
[0999]
Thereafter, the metal layer 102 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 102 is left only in the wiring trench. The metal layer 102 remaining in the wiring trench becomes a fifth wiring layer functioning as a write bit line.
[1000]
Further, an insulating layer (such as silicon nitride) 103 is formed on the interlayer insulating film 100 by a CVD method. Further, this insulating layer 103 is polished by CMP, and this insulating layer 103 is left only on the metal layer 102 as the fifth wiring layer. Further, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 104 that completely covers the metal layer 102 as the fifth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 100.
[1001]
-Step of forming the lower electrode of the fourth MTJ element
Next, as shown in FIGS. 208 and 209, contact holes reaching the upper electrode 99 of the third MTJ element 97 are formed in the interlayer insulating films 100 and 104 and the alumina layer 99C.
[1002]
This contact hole can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 104 by PEP and etching the interlayer insulating films 100 and 104 and the alumina layer 99C by RIE using the resist pattern as a mask. Can be formed. After this etching, the resist pattern is removed.
[1003]
Further, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 80X is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 81X that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 80X by sputtering, for example.
[1004]
Thereafter, the metal layer 81X is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 81X is left only in the contact hole. The metal layer 81X remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 107 to be the lower electrode of the fourth MTJ element is formed on the interlayer insulating film 104 by sputtering.
[1005]
-Step of forming the fourth MTJ element and its upper electrode
Next, as shown in FIGS. 208 and 209, the fourth MTJ element 108 is formed on the metal layer 107. The fourth MTJ element 108 includes a tunnel barrier, two ferromagnetic layers sandwiching the tunnel barrier, and an antiferromagnetic layer, and has a structure as shown in FIG. 48, for example.
[1006]
In this example, a protective insulating layer (such as silicon oxide) 108A that protects the fourth MTJ element 108 is formed on the side surface of the fourth MTJ element 108. The protective insulating layer 108A can be easily formed on the side surface of the fourth MTJ element 108 by using the CVD method and the RIE method.
[1007]
Thereafter, the lower electrode 107 of the fourth MTJ element 108 is patterned. The patterning of the lower electrode 107 of the fourth MTJ element 108 can be easily performed by forming a resist pattern on the lower electrode 107 by PEP and then etching the lower electrode 107 by RIE using this resist pattern as a mask. . Thereafter, the resist pattern is removed.
[1008]
Next, as shown in FIG. 210, an alumina layer 108B that protects the fourth MTJ element 108 is formed on the fourth MTJ element 108 by CVD. Thereafter, the alumina layer 108B is etched by RIE, and as a result, the alumina layer 108B remains on the side wall portion of the fourth MTJ element 108.
[1009]
An interlayer insulating film (such as silicon oxide) 109 that completely covers the fourth MTJ element 108 is formed by CVD. Further, for example, the interlayer insulating film 109 is polished by the CMP method, and the interlayer insulating film 109 is left only between the fourth MTJ elements 108.
[1010]
Further, contact holes reaching the lower electrode 96 of the third MTJ element 97 are formed in the interlayer insulating films 100, 104, and 109.
[1011]
This contact hole is easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 109 by, for example, PEP, and etching the interlayer insulating films 100, 104, and 109 by RIE using this resist pattern as a mask. be able to. After this etching, the resist pattern is removed.
[1012]
In this etching step, the etching rates of the alumina layers 99C and 108B are set to be sufficiently smaller than the etching rates of the interlayer insulating films 100, 104, and 109.
[1013]
That is, according to the present example, even if contact hole misalignment occurs, the alumina layers 99C and 108B protect the third and fourth MTJ elements 97 and 108, so that the third and fourth MTJ elements 97 and 108 are The situation of being etched does not occur.
[1014]
Next, as shown in FIG. 211, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 105 is formed on the inner surface of the contact hole by sputtering. Subsequently, a metal layer (such as W) 106 that completely fills the contact hole is formed on the barrier metal layer 105 by sputtering, for example.
[1015]
Thereafter, the metal layer 106 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 106 is left only in the contact hole. The metal layer 106 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Further, a metal layer 107 to be the upper electrode of the fourth MTJ element 108 is formed on the interlayer insulating film 109 by sputtering. Subsequently, an alumina layer 107A that protects the fourth MTJ element 108 is formed on the metal layer 107 by a CVD method.
[1016]
Next, as shown in FIG. 212, a resist pattern is formed by PEP, and the alumina layer 107A and the metal layer 107 are patterned using the resist pattern as a mask.
[1017]
After the alumina layer 107A is formed again, when the alumina layer 107A is etched by RIE, the alumina layer 107A remains so as to cover the metal layer 107 as the upper electrode and the upper and side wall portions of the fourth MTJ element 108. .
[1018]
Thereafter, an interlayer insulating film 111 that completely covers the fourth MTJ element 108 is formed by CVD.
[1019]
・ Wiring groove formation step
Next, as shown in FIGS. 213 and 214, for example, a wiring trench 112 extending in the X direction is formed in the interlayer insulating film 111 by RIE using the resist pattern as a mask. At this time, since the alumina layer 107A functions as an etching stopper, the bottom of the wiring groove 112 does not reach the metal layer 107 and the fourth MTJ element 108.
[1020]
In this example, the wiring trench 112 is a trench for forming a write word line and extends in the X direction. Sidewall insulating layers (such as silicon nitride) 113 for a self-aligned contact process are formed on the side surfaces of the wiring trench 112.
[1021]
The wiring trench 112 can be easily formed, for example, by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 111 by PEP, and etching the interlayer insulating film 111 by RIE using this resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[1022]
The sidewall insulating layer 113 can be easily formed by forming an insulating film (such as silicon nitride) over the entire interlayer insulating film 111 by CVD and then etching the insulating film by RIE. it can.
[1023]
・ Step of forming the sixth wiring layer
Next, as shown in FIGS. 213 and 214, for example, using a sputtering method, barrier metal layers (Ta and Ta) are formed on the interlayer insulating film 111, the inner surface of the wiring trench 112, and the sidewall insulating layer 113, respectively. (TaN stack or the like) 114 is formed. Subsequently, a metal layer (such as Cu) 115 that completely fills the wiring trench 112 is formed on the barrier metal layer 114 by sputtering, for example.
[1024]
Thereafter, the metal layer 115 is polished by using, for example, a CMP method, and the metal layer 115 is left only in the wiring groove 112. The metal layer 115 remaining in the wiring trench 112 becomes a sixth wiring layer that functions as a write word line.
[1025]
In addition, an insulating layer (such as silicon nitride) 116 is formed over the interlayer insulating film 111 by a CVD method. Further, the insulating layer 116 is polished by the CMP method, and the insulating layer 116 is left only on the metal layer 115 as the sixth wiring layer.
[1026]
・ Step of forming the seventh wiring layer
Next, as shown in FIGS. 215 and 216, an interlayer insulating film (such as silicon oxide) 117 that completely covers the metal layer 115 as the sixth wiring layer is formed on the interlayer insulating film 111. A contact hole reaching the upper electrode 107 of the fourth MTJ element is formed in the interlayer insulating films 111 and 117.
[1027]
The contact holes can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 117 by, for example, PEP, and etching the interlayer insulating films 111 and 117 by RIE using the resist pattern as a mask. it can. After this etching, the resist pattern is removed.
[1028]
In addition, a wiring trench for forming a read bit line is formed in the interlayer insulating film 117.
[1029]
The wiring trench can be easily formed by forming a resist pattern on the interlayer insulating film 117 by PEP, for example, and etching the interlayer insulating film 117 by RIE using the resist pattern as a mask. After this etching, the resist pattern is removed.
[1030]
Thereafter, for example, a barrier metal layer (such as a laminate of Ti and TiN) 118 is formed on the interlayer insulating film 117, on the inner surface of the contact hole, and on the inner surface of the wiring groove by sputtering, for example. Subsequently, a metal layer (W or the like) 119 that completely fills the contact hole and the wiring groove is formed on the barrier metal layer 118 by sputtering, for example.
[1031]
Further, the metal layer 119 and the barrier metal layer 117 are polished by, for example, a CMP method, and the metal layer 119 and the barrier metal layer 117 are left only in the contact hole and the wiring groove. The metal layer 119 remaining in the contact hole becomes a contact plug. Also, the metal layer 119 remaining in the wiring trench becomes a seventh wiring layer that functions as a read bit line.
[1032]
▲ 3 ▼ Summary
According to this manufacturing method 3, a plurality of TMR elements are stacked in a plurality of stages, and the plurality of TMR elements are connected in series and parallel between a read bit line and a ground terminal (one switch-nMTJ structure). Can be realized.
[1033]
In this example, the damascene process and the dual damascene process are employed in forming the wiring layer. However, instead of this, for example, a process of processing the wiring layer by etching may be employed.
[1034]
9. Other
In the above description, it is assumed that a TMR element is used as the memory cell of the magnetic random access memory. However, even when the memory cell is a GMR (Giant Magneto Resistance) element, the present invention, that is, various cell array structures. Further, a read operation principle, a specific example of a read circuit, and the like can be applied.
[1035]
Further, the structure of the TMR element and the GMR element and the materials constituting them are not particularly limited in applying the present invention.
[1036]
As the read selection switch of the magnetic random access memory, the case of a MOS transistor, a bipolar transistor and a diode has been described. However, other switch elements such as a MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor (including a MOSFET), MES (Metal Semiconductor) ) Transistors and junction transistors can also be used as readout selection switches.
[1037]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, first, it is possible to provide a magnetic random access memory having a novel cell array structure suitable for increasing the memory capacity and a method for manufacturing the same. Second, a novel read operation principle suitable for the novel cell array structure can be provided. Third, a read circuit for realizing the novel read operation principle can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram relating to Structural Example 1 of a magnetic random access memory according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view related to Structural Example 1 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view related to Structural Example 1 of the magnetic random access memory of the present invention.
4 is a circuit diagram showing a first modification of Structural Example 1. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first modification of Structural Example 1;
6 is a circuit diagram showing a second modification of Structural Example 1. FIG.
7 is a cross-sectional view showing a second modification of Structural Example 1. FIG.
FIG. 8 is a circuit diagram relating to Structural Example 2 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view related to Structural Example 2 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view related to Structural Example 2 of the magnetic random access memory according to the present invention.
11 is a cross-sectional view showing a first modification of Structural Example 2. FIG.
12 is a plan view showing a first modification of Structural Example 2. FIG.
13 is a circuit diagram showing a second modification of Structural Example 2. FIG.
14 is a cross-sectional view showing a second modification of Structural Example 2. FIG.
15 is a circuit diagram showing a third modification of Structural Example 2. FIG.
16 is a cross-sectional view showing a third modification of Structural Example 2. FIG.
FIG. 17 is a circuit diagram relating to Structural Example 3 of the magnetic random access memory of the present invention.
18 is a cross-sectional view related to Structural Example 3 of the magnetic random access memory of the present invention. FIG.
FIG. 19 is a circuit diagram showing a first modification of Structural Example 3;
20 is a cross-sectional view showing a first modification of Structural Example 3. FIG.
FIG. 21 is a circuit diagram showing a second modification of Structural Example 3;
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a second modification of Structural Example 3;
FIG. 23 is a circuit diagram relating to Structural Example 4 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 24 is a circuit diagram relating to Structural Example 4 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 25 is a circuit diagram relating to Structural Example 4 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 26 is a cross-sectional view related to Structural Example 4 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 27 is a cross-sectional view showing a modification of Structural Example 4;
FIG. 28 is a circuit diagram relating to Structural Example 5 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 29 is a circuit diagram relating to Structural Example 5 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 30 is a circuit diagram related to Structural Example 5 of the magnetic random access memory of the present invention.
FIG. 31 is a cross-sectional view related to Structural Example 5 of the magnetic random access memory of the present invention.
32 is a cross-sectional view showing a modified example of Structural Example 5. FIG.
33 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 1. FIG.
34 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 1. FIG.
FIG. 35 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 1;
36 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 2. FIG.
FIG. 37 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 2;
38 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 2. FIG.
FIG. 39 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 3;
40 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 3. FIG.
41 is a diagram showing an equivalent circuit during a read operation in Structural Example 3. FIG.
FIG. 42 is a diagram showing a structural example of a TMR element.
FIG. 43 is a diagram showing a structural example of a TMR element.
FIG. 44 is a diagram showing a structural example of a TMR element.
FIG. 45 is a view showing a structural example of a first TMR element.
FIG. 46 is a view showing a structural example of a second TMR element.
FIG. 47 is a diagram showing a structure example of a third TMR element.
FIG. 48 is a view showing a structural example of a fourth TMR element.
FIG. 49 is a view showing a structural example of a first TMR element.
FIG. 50 is a view showing a structural example of a second TMR element.
FIG. 51 is a view showing a structural example of a third TMR element.
FIG. 52 is a diagram showing a structure example of a fourth TMR element.
FIG. 53 is a diagram showing a circuit example 1 of a reading circuit according to the present invention.
54 is a diagram showing a circuit example 2 of a reading circuit according to the present invention. FIG.
FIG. 55 is a diagram showing a circuit example 3 of a reading circuit according to the present invention.
FIG. 56 is a diagram showing an example of a sense amplifier.
FIG. 57 is a diagram showing an example of a differential amplifier in a sense amplifier.
FIG. 58 is a diagram showing another example of the differential amplifier in the sense amplifier.
FIG. 59 is a diagram showing another example of a sense amplifier.
FIG 60 is a diagram showing an example of an operational amplifier in a reading circuit;
FIG. 61 illustrates another example of an operational amplifier in a reading circuit.
FIG. 62 is a circuit diagram showing an example of an additional current generator.
FIG. 63 is a diagram showing a circuit example 4 of a reading circuit according to the present invention.
FIG. 64 is a diagram showing a logic circuit for determining a data value of a fourth TMR element.
FIG. 65 is a diagram showing a logic circuit for determining a data value of a third TMR element.
FIG. 66 is a diagram showing a logic circuit for determining a data value of a second TMR element.
FIG. 67 is a diagram showing a logic circuit for determining the data value of the first TMR element.
FIG. 68 is a diagram showing a circuit example of a write word line driver / sinker;
FIG. 69 is a diagram showing a circuit example of a write bit line driver / sinker;
FIG. 70 is a diagram showing a circuit example of a read word line driver.
FIG. 71 is a diagram showing a circuit example of a column decoder.
FIG. 72 is a diagram showing a circuit example of a write word line driver / sinker;
FIG. 73 is a diagram showing a circuit example of a write bit line driver / sinker;
FIG. 74 is a diagram showing TMR elements arranged symmetrically with respect to a write line.
FIG. 75 is a diagram showing a TMR element arranged symmetrically with respect to a write line.
FIG. 76 is a diagram showing TMR elements arranged symmetrically with respect to a write line.
FIG. 77 is a diagram showing TMR elements arranged symmetrically with respect to a write line.
FIG. 78 is a diagram showing a TMR element arranged symmetrically with respect to a write line.
FIG. 79 is a diagram showing TMR elements arranged symmetrically with respect to a write line.
FIG. 80 is a diagram showing a circuit example of a write bit line driver / sinker;
FIG. 81 is a view showing a device structure to which the manufacturing method 1 of the present invention is applied;
FIG. 82 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 83 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 84 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
85 is a cross-sectional view taken along line LXXXV-LXXXV in FIG. 84.
FIG. 86 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
87 is a cross-sectional view showing one step of the production method 1 of the present invention. FIG.
88 is a cross-sectional view showing one step of the production method 1 of the present invention. FIG.
FIG. 89 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
90 is a cross-sectional view showing one step of production method 1 of the present invention. FIG.
FIG. 91 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 92 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
93 is a sectional view taken along line XCIII-XCIII in FIG. 92. FIG.
FIG. 94 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 95 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
96 is a sectional view taken along line XCVI-XCVI in FIG. 95. FIG.
FIG. 97 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 98 is a cross-sectional view showing one step of production method 1 of the present invention.
99 is a cross-sectional view showing one step of the production method 1 of the present invention. FIG.
FIG. 100 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
101 is a sectional view taken along line CI-CI in FIG. 100. FIG.
102 is a cross-sectional view showing one step of the production method 1 of the present invention. FIG.
FIG. 103 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
104 is a sectional view taken along line CIV-CIV in FIG. 103. FIG.
FIG. 105 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 106 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 107 is a cross-sectional view showing one step of the production method 1 of the present invention.
FIG. 108 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
109 is a sectional view taken along line CIX-CIX in FIG. 108. FIG.
FIG. 110 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 111 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
112 is a sectional view taken along line CXII-CXII in FIG. 111. FIG.
FIG. 113 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 114 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 115 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
FIG. 116 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
117 is a sectional view taken along line CXVII-CXVII in FIG. 116;
FIG. 118 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 1 of the present invention.
119 is a plan view showing one step in the manufacturing method 1 of the present invention. FIG.
120 is a sectional view taken along line CXX-CXX in FIG. 119;
121 is a cross-sectional view showing one step of the production method 1 of the present invention. FIG.
122 is a cross-sectional view showing one step of the production method 1 of the present invention. FIG.
FIG. 123 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
124 is a sectional view taken along line CXXIV-CXXIV in FIG. 123. FIG.
FIG. 125 is a plan view showing one step in the production method 1 of the present invention.
126 is a sectional view taken along line CXXVI-CXXVI in FIG. 125. FIG.
127 is a view showing a device structure to which the manufacturing method 2 of the present invention is applied; FIG.
128 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention. FIG.
FIG. 129 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention;
130 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention. FIG.
131 is a sectional view taken along line CXXXI-CXXXI in FIG. 130;
132 is a cross-sectional view showing one step of the production method 2 of the present invention. FIG.
133 is a cross-sectional view showing one step of the production method 2 of the present invention. FIG.
FIG. 134 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention.
FIG. 135 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention.
136 is a cross-sectional view showing one step of the production method 2 of the present invention. FIG.
FIG. 137 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention.
138 is a plan view showing one step in manufacturing method 2 of the present invention. FIG.
139 is a cross-sectional view taken along line CXXXIX-CXXXIX in FIG. 138;
FIG. 140 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention.
141 is a sectional view taken along line CXLI-CXLI in FIG. 140. FIG.
FIG. 142 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention.
143 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention; FIG.
144 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention; FIG.
145 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention. FIG.
146 is a cross-sectional view taken along line CXLVI-CXLVI in FIG. 145;
147 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention. FIG.
148 is a sectional view taken along line CXLVIII-CXLVIII in FIG. 147; FIG.
149 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention. FIG.
150 is a cross-sectional view showing one step of production method 2 of the present invention. FIG.
151 is a cross-sectional view showing one step of the production method 2 of the present invention. FIG.
FIG. 152 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention.
153 is a cross-sectional view showing one step of the production method 2 of the present invention. FIG.
FIG. 154 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention.
155 is a cross-sectional view taken along line CLV-CLV in FIG. 154;
156 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention. FIG.
157 is a cross-sectional view taken along the line CLVII-CLVII in FIG. 156. FIG.
FIG. 158 is a cross-sectional view showing one step of the manufacturing method 2 of the present invention.
159 is a cross-sectional view showing one step of the production method 2 of the present invention. FIG.
FIG. 160 is a cross-sectional view showing one step of the production method 2 of the present invention.
FIG. 161 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention.
162 is a sectional view taken along the line CLXII-CLXII in FIG. 161. FIG.
FIG. 163 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention.
164 is a cross-sectional view taken along the line CLXIV-CLXIV in FIG. 163;
165 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 2 of the present invention. FIG.
166 is a sectional view showing one step in manufacturing method 2 of the present invention; FIG.
FIG. 167 is a cross-sectional view showing one step of the production method 2 of the present invention.
168 is a plan view showing one step in manufacturing method 2 of the present invention. FIG.
169 is a cross-sectional view taken along the line CLXIX-CLXIX in FIG. 168;
FIG. 170 is a plan view showing one step in the production method 2 of the present invention.
171 is a cross-sectional view taken along line CLXXVI-CLXXVI in FIG.
FIG. 172 is a view showing a device structure to which the manufacturing method 3 of the present invention is applied;
173 is a sectional view showing one step in manufacturing method 3 of the present invention; FIG.
174 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention; FIG.
175 is a plan view showing one step in manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
176 is a cross-sectional view taken along the line CLXXVI-CLXXVI of FIG. 175;
177 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
178 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
179 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
FIG. 180 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention.
181 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
182 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
183 is a plan view showing one step in manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
184 is a cross-sectional view taken along line CLXXXIV-CLXXXIV in FIG. 183. FIG.
185 is a plan view showing one step in manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
186 is a cross-sectional view taken along line CLXXXVI-CLXXXVI in FIG. 185. FIG.
187 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
188 is a cross-sectional view showing one step of production method 3 of the present invention. FIG.
189 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
FIG. 190 is a plan view showing one step in the production method 3 of the present invention.
191 is a cross-sectional view taken along line CXCI-CXCI in FIG. 190;
FIG. 192 is a plan view showing one step in the production method 3 of the present invention.
193 is a cross-sectional view taken along line CXCIII-CXCIII in FIG.
194 is a cross-sectional view showing one step of production method 3 of the present invention. FIG.
FIG. 195 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention.
196 is a cross-sectional view showing one step of production method 3 of the present invention. FIG.
197 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
198 is a sectional view showing one step in manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
199 is a plan view showing one step in manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
200 is a sectional view taken along the line CC-CC in FIG. 199. FIG.
201 is a plan view showing one step in the production method 3 of the present invention. FIG.
202 is a sectional view taken along the line CCII-CCII in FIG. 201. FIG.
203 is a cross-sectional view showing one step of the production method 3 of the present invention. FIG.
204 is a cross-sectional view showing one step of production method 3 of the present invention. FIG.
205 is a cross-sectional view showing one step in the production method 3 of the present invention. FIG.
FIG. 206 is a plan view showing one step in the production method 3 of the present invention.
207 is a sectional view taken along the line CCVII-CCVII in FIG. 206. FIG.
FIG. 208 is a plan view showing one step in the production method 3 of the present invention.
209 is a sectional view taken along the CCIX-CCIX line in FIG. 208. FIG.
FIG. 210 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention.
FIG. 211 is a cross-sectional view showing one step of manufacturing method 3 of the present invention.
FIG. 212 is a cross-sectional view showing one step of production method 3 of the present invention.
213 is a plan view showing one step in the manufacturing method 3 of the present invention. FIG.
214 is a sectional view taken along the line CCXIV-CCXIV in FIG. 213. FIG.
FIG. 215 is a plan view showing one step in the production method 3 of the present invention.
216 is a sectional view taken along the line CCXVI-CCXVI in FIG. 215;
217 is a circuit diagram illustrating a structure example in which part of the structure example 1 is changed; FIG.
218 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 1 is changed; FIG.
219 is a circuit diagram showing a structural example in which part of the structural example 2 is changed. FIG.
FIG. 220 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 2 is changed.
221 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 3 is changed; FIG.
FIG. 222 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 3 is changed;
223 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 4 is changed. FIG.
224 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 4 is changed. FIG.
225 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 4 is changed. FIG.
226 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 5 is changed. FIG.
227 is a circuit diagram showing a structural example in which a part of structural example 5 is changed. FIG.
228 is a circuit diagram illustrating a structural example in which part of the structural example 5 is changed. FIG.
[Explanation of symbols]
11: memory cell array,
12: TMR element,
23A-0,... 23A-n: write word line driver,
24-0,..., 24-n: write word line sinker,
25-0,... 25-n: row decoder,
28: Common data line,
29: Write bit line driver / sinker,
29A: Write bit line driver / sinker,
29B: readout circuit,
30A, 30B: Common driver line,
31: Write bit line driver / sinker,
32: column decoder,
41, 51: semiconductor substrate,
41A1,... 41A4: lower electrode,
41B1,... 41B4: upper electrode,
42A,... 42F: contact plug,
43: middle layer,
44A, 44B, 47, 49, 50, 51X, 52X: contact part,
44-0,... 44-14: a reference current generation circuit,
52: element isolation insulating layer,
53: Gate insulating film,
54: a gate electrode,
55: Cap insulating film,
56A: source region,
56B: Drain region,
57, 65, 88: sidewall insulating layers,
58, 63, 69, 75, 75B, 79, 84B, 86, 93, 98, 100, 104, 109, 111, 117: interlayer insulating film,
59: contact hole,
60, 64, 75A, 87, 112: wiring grooves,
61, 66, 70, 76, 80, 85A, 89, 99A, 101, 114, 118: barrier metal layer,
62, 67, 71, 72, 74, 77, 81, 82, 85B, 90, 99B, 102, 115, 119: metal layer,
68, 78, 103: insulating layer,
73, 84, 97, 108: MTJ element,
74A, 83B, 85C: Alumina layer,
83A: protective insulating layer,
MTJ1,... MTJ4: TMR element (MTJ element),
BL00,... BLjn: block,
WWL0,... WWL3n + 2: write word line,
RWL0,... RWLn: Read word line,
BL00,... BLj0, BL01,... BLj1: Write bit line,
BL0,... BLj: Read bit line,
Px1, Px2, Px3, QPx, QP0,... QP21: P channel MOS transistor,
QN00, ... QN140, QN01, ... QN141, QN0, ... QN21: N-channel MOS transistor,
NR1,... NR17: NOR circuit,
AD1,... AD6: AND circuit,
ND1,... ND3: NAND circuit,
Ex-OR1: Exclusive OR circuit,
IV1,... IV20: inverter circuit,
DI0,... DI14: differential amplifier,
Mx: current mirror circuit,
Ix: current source,
SW, SWA, SWB: Column selection switch.

Claims (4)

半導体基板上に積み重ねられ、かつ、直列接続される磁気抵抗効果を利用する複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルの全てのさらに上に配置され、前記複数のメモリセルの一端に接続される読み出しビット線と、
前記読み出しビット線に接続される読み出し回路と、
前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、X方向に延び、前記X方向と垂直なZ方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線と、
前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、前記X方向に交差し、前記X方向及び前記Z方向に垂直なY方向に延びる書き込みビット線とを具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、上部電極と下部電極に挟まれ、前記複数のメモリセルは、前記上部電極又は前記下部電極にコンタクトするコンタクトプラグにより、互いに直列接続され、
前記書き込みワード線は、前記メモリセルの上部又は下部に配置され、且つ、前記書き込みビット線は、前記書き込みワード線の配置される側と反対側の、前記メモリセルの下部又は上部に配置され、前記メモリセルの間に配置される前記書き込みワード線及び前記書き込みビット線は、その上部及び下部に配置される前記メモリセルによって共有されることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
A plurality of memory cells stacked on a semiconductor substrate and utilizing a magnetoresistive effect connected in series;
A read bit line disposed above all of the plurality of memory cells and connected to one end of the plurality of memory cells;
A read circuit connected to the read bit line;
A plurality of write word lines used to write data to one of the plurality of memory cells , extending in the X direction and stacked in a Z direction perpendicular to the X direction ;
A write bit line used to write data to one of the plurality of memory cells and extending in a Y direction that intersects the X direction and is perpendicular to the X direction and the Z direction ;
Each of the plurality of memory cells is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and the plurality of memory cells are connected in series with each other by a contact plug that contacts the upper electrode or the lower electrode,
The write word line is disposed above or below the memory cell, and the write bit line is disposed below or above the memory cell opposite to the side on which the write word line is disposed. The magnetic random access memory, wherein the write word line and the write bit line arranged between the memory cells are shared by the memory cells arranged above and below the memory cell .
半導体基板上に積み重ねられ、かつ、直列接続と並列接続の組み合わせにより構成される磁気抵抗効果を利用する複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルの全てのさらに上に配置され、前記複数のメモリセルの一端に接続される読み出しビット線と、
前記読み出しビット線に接続される読み出し回路と、
前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、X方向に延び、前記X方向と垂直なZ方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線と、
前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、前記X方向に交差し、前記X方向及び前記Z方向に垂直なY方向に延びる書き込みビット線とを具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、上部電極と下部電極に挟まれ、前記複数のメモリセルは、前記上部電極又は前記下部電極にコンタクトするコンタクトプラグにより、互いに直列接続と並列接続の組み合わせにより接続され、
前記書き込みワード線は、前記メモリセルの上部又は下部に配置され、且つ、前記書き込みビット線は、前記書き込みワード線の配置される側と反対側の、前記メモリセルの下部又は上部に配置され、前記メモリセルの間に配置される前記書き込みワード線及び前記書き込みビット線は、その上部及び下部に配置される前記メモリセルによって共有されることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
A plurality of memory cells stacked on a semiconductor substrate and using a magnetoresistive effect constituted by a combination of series connection and parallel connection;
A read bit line disposed above all of the plurality of memory cells and connected to one end of the plurality of memory cells;
A read circuit connected to the read bit line;
A plurality of write word lines used to write data to one of the plurality of memory cells , extending in the X direction and stacked in a Z direction perpendicular to the X direction ;
A write bit line used to write data to one of the plurality of memory cells and extending in a Y direction that intersects the X direction and is perpendicular to the X direction and the Z direction ;
Each of the plurality of memory cells is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and the plurality of memory cells are connected to each other by a combination of series connection and parallel connection by contact plugs that contact the upper electrode or the lower electrode. ,
The write word line is disposed above or below the memory cell, and the write bit line is disposed below or above the memory cell opposite to the side on which the write word line is disposed. The magnetic random access memory, wherein the write word line and the write bit line arranged between the memory cells are shared by the memory cells arranged above and below the memory cell .
半導体基板上に積み重ねられ、かつ、直列接続される磁気抵抗効果を利用する複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルの全てのさらに上に配置され、前記複数のメモリセルの一端に接続される読み出しビット線と、
前記読み出しビット線に接続される読み出し回路と、
前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、X方向に延び、前記X方向と垂直なZ方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線と、
前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、前記X方向に交差し、前記X方向及び前記Z方向に垂直なY方向に延びる書き込みビット線とを具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、上部電極と下部電極に挟まれ、前記複数のメモリセルは、前記上部電極又は前記下部電極にコンタクトするコンタクトプラグにより、互いに直列接続され、
前記書き込みワード線は、前記メモリセルの上部又は下部に配置され、且つ、前記書き込みビット線は、前記書き込みワード線の配置される側と反対側の、前記メモリセルの下部又は上部に配置され、前記メモリセルの間に配置される前記書き込みワード線及び前記書き込みビット線は、その上部及び下部に配置される前記メモリセルによって共有されることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法において、
前記半導体基板の表面領域に読み出し選択スイッチを形成するステップと、
前記読み出し選択スイッチ上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第1の書き込みワード線を形成するステップと、
前記第1の書き込みワード線の直上に第1のメモリセルを形成するステップと、
前記第1のメモリセルの直上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる第1の書き込みビット線を形成するステップと、
前記第1の書き込みビット線の直上に、前記第1の書き込みビット線に対して前記第1のメモリセルと対称となる第2のメモリセルを形成するステップと、
前記第2のメモリセルの直上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第2の書き込みワード線を形成するステップと、
前記第2の書き込みワード線の直上に、前記第2の書き込みワード線に対して前記第2のメモリセルと対称となる第3のメモリセルを形成するステップと、
前記第3のメモリセルの直上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる第2の書き込みビット線を形成するステップと、
前記第2の書き込みビット線の直上に、前記第2の書き込みビット線に対して前記第3のメモリセルと対称となる第4のメモリセルを形成するステップと、
前記第4のメモリセルの直上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第3の書き込みワード線を形成するステップと、
前記第3の書き込みワード線上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる前記読み出しビット線を形成するステップと
を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
A plurality of memory cells stacked on a semiconductor substrate and utilizing a magnetoresistive effect connected in series;
A read bit line disposed above all of the plurality of memory cells and connected to one end of the plurality of memory cells;
A read circuit connected to the read bit line;
A plurality of write word lines used to write data to one of the plurality of memory cells, extending in the X direction and stacked in a Z direction perpendicular to the X direction;
A write bit line used to write data to one of the plurality of memory cells and extending in a Y direction that intersects the X direction and is perpendicular to the X direction and the Z direction;
Each of the plurality of memory cells is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and the plurality of memory cells are connected in series with each other by a contact plug that contacts the upper electrode or the lower electrode,
The write word line is disposed above or below the memory cell, and the write bit line is disposed below or above the memory cell opposite to the side on which the write word line is disposed. In the method of manufacturing a magnetic random access memory, the write word line and the write bit line arranged between the memory cells are shared by the memory cells arranged above and below the memory cell.
Forming a read select switch in a surface region of said semiconductor substrate,
Forming a first write word line extending in the X direction and stacked in the Z direction on the read selection switch;
Forming a first memory cell immediately above the first write word line ;
Forming a first write bit line that intersects the X direction and extends in the Y direction immediately above the first memory cell ;
Forming the right above the first write bit line, a second memory cell to be the first memory cell is symmetrical with respect to the first write bit line,
Forming a second write word line directly above the second memory cell , extending in the X direction and stacked in the Z direction ;
Forming the right above the second write word line, a third memory cell to be the second memory cell and symmetrical with respect to the second write word line,
Forming a second write bit line that intersects the X direction and extends in the Y direction immediately above the third memory cell ;
Forming the right above the second write bit line, a fourth memory cell to be the third memory cell and symmetrical with respect to the second write bit line,
Forming a third write word line directly above the fourth memory cell , extending in the X direction and stacked in the Z direction ;
Forming a read bit line on the third write word line that intersects the X direction and extends in the Y direction .
半導体基板上に積み重ねられ、かつ、直列接続と並列接続の組み合わせにより構成される磁気抵抗効果を利用する複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルの全てのさらに上に配置され、前記複数のメモリセルの一端に接続される読み出しビット線と、
前記読み出しビット線に接続される読み出し回路と、
前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、X方向に延び、前記X方向と垂直なZ方向に積み重ねられる複数の書き込みワード線と、
前記複数のメモリセルのうちの1つにデータを書き込むために使用され、前記X方向に交差し、前記X方向及び前記Z方向に垂直なY方向に延びる書き込みビット線とを具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、上部電極と下部電極に挟まれ、前記複数のメモリセルは、前記上部電極又は前記下部電極にコンタクトするコンタクトプラグにより、互いに直列接続と並列接続の組み合わせにより接続され、
前記書き込みワード線は、前記メモリセルの上部又は下部に配置され、且つ、前記書き込みビット線は、前記書き込みワード線の配置される側と反対側の、前記メモリセルの下部又は上部に配置され、前記メモリセルの間に配置される前記書き込みワード線及び前記書き込みビット線は、その上部及び下部に配置される前記メモリセルによって共有されることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法において、
前記半導体基板の表面領域に読み出し選択スイッチを形成するステップと、
前記読み出し選択スイッチ上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第1 の書き込みワード線を形成するステップと、
前記第1の書き込みワード線の直上に第1のメモリセルを形成するステップと、
前記第1のメモリセルの直上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる第1の書き込みビット線を形成するステップと、
前記第1の書き込みビット線の直上に、前記第1の書き込みビット線に対して前記第1のメモリセルと対称となる第2のメモリセルを形成するステップと、
前記第2のメモリセルの直上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第2の書き込みワード線を形成するステップと、
前記第2の書き込みワード線の直上に、前記第2の書き込みワード線に対して前記第2のメモリセルと対称となる第3のメモリセルを形成するステップと、
前記第3のメモリセルの直上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる第2の書き込みビット線を形成するステップと、
前記第2の書き込みビット線の直上に、前記第2の書き込みビット線に対して前記第3のメモリセルと対称となる第4のメモリセルを形成するステップと、
前記第4のメモリセルの直上に、前記X方向に延び、前記Z方向に積み重ねられる第3の書き込みワード線を形成するステップと、
前記第3の書き込みワード線上に、前記X方向に交差し、前記Y方向に延びる前記読み出しビット線を形成するステップと
を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
A plurality of memory cells stacked on a semiconductor substrate and using a magnetoresistive effect constituted by a combination of series connection and parallel connection;
A read bit line disposed above all of the plurality of memory cells and connected to one end of the plurality of memory cells;
A read circuit connected to the read bit line;
A plurality of write word lines used to write data to one of the plurality of memory cells, extending in the X direction and stacked in a Z direction perpendicular to the X direction;
A write bit line used to write data to one of the plurality of memory cells and extending in a Y direction that intersects the X direction and is perpendicular to the X direction and the Z direction;
Each of the plurality of memory cells is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode, and the plurality of memory cells are connected to each other by a combination of series connection and parallel connection by contact plugs that contact the upper electrode or the lower electrode. ,
The write word line is disposed above or below the memory cell, and the write bit line is disposed below or above the memory cell opposite to the side on which the write word line is disposed. In the method of manufacturing a magnetic random access memory, the write word line and the write bit line arranged between the memory cells are shared by the memory cells arranged above and below the memory cell.
Forming a read select switch in a surface region of said semiconductor substrate,
Forming a first write word line extending in the X direction and stacked in the Z direction on the read selection switch;
Forming a first memory cell immediately above the first write word line ;
Forming a first write bit line that intersects the X direction and extends in the Y direction immediately above the first memory cell ;
Forming the right above the first write bit line, a second memory cell to be the first memory cell is symmetrical with respect to the first write bit line,
Forming a second write word line directly above the second memory cell , extending in the X direction and stacked in the Z direction ;
Forming the right above the second write word line, a third memory cell to be the second memory cell and symmetrical with respect to the second write word line,
Forming a second write bit line that intersects the X direction and extends in the Y direction immediately above the third memory cell ;
Forming the right above the second write bit line, a fourth memory cell to be the third memory cell and symmetrical with respect to the second write bit line,
Forming a third write word line directly above the fourth memory cell , extending in the X direction and stacked in the Z direction ;
Forming a read bit line on the third write word line that intersects the X direction and extends in the Y direction .
JP2002176564A 2001-12-21 2002-06-18 Magnetic random access memory Expired - Fee Related JP4146170B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002176564A JP4146170B2 (en) 2001-12-21 2002-06-18 Magnetic random access memory

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001390670 2001-12-21
JP2001-390670 2001-12-21
JP2002176564A JP4146170B2 (en) 2001-12-21 2002-06-18 Magnetic random access memory

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003249072A JP2003249072A (en) 2003-09-05
JP4146170B2 true JP4146170B2 (en) 2008-09-03

Family

ID=28677032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002176564A Expired - Fee Related JP4146170B2 (en) 2001-12-21 2002-06-18 Magnetic random access memory

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4146170B2 (en)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005310840A (en) 2004-04-16 2005-11-04 Toshiba Corp Magnetic random access memory
JP2006245310A (en) 2005-03-03 2006-09-14 Toshiba Corp Magnetic storage device
JP5067650B2 (en) 2006-01-06 2012-11-07 日本電気株式会社 Semiconductor memory device
US7885095B2 (en) 2006-06-08 2011-02-08 Nec Corporation Magnetic random access memory and operation method of the same
TWI508278B (en) * 2013-03-13 2015-11-11 Macronix Int Co Ltd Semiconductor element and manufacturing method of the same
JP6271655B1 (en) * 2016-08-05 2018-01-31 株式会社東芝 Non-volatile memory

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003249072A (en) 2003-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1321942B1 (en) Magnetic random access memory
KR100528113B1 (en) Magnetic random access memory and circuit for reading the same and method of manufacturing the same
KR100509774B1 (en) Magnetic random access memory, read method thereof, and manufacturing method thereof
US6912152B2 (en) Magnetic random access memory
US6839269B2 (en) Magnetic random access memory
US6862210B2 (en) Magnetic random access memory for storing information utilizing magneto-resistive effects
WO2006095389A1 (en) Magnetic memory and read/write method thereof
KR20140023806A (en) Architecture of magnetic resistance memory device
JP2005310840A (en) Magnetic random access memory
JP2006185477A (en) Magnetic memory device, and its read-out method and write-in method
JP4415745B2 (en) Solid state memory device
JP4146170B2 (en) Magnetic random access memory
JP4408901B2 (en) Magnetic memory device and reading method thereof
JP2004303837A (en) Magnetic storage cell, magnetic memory device, and its manufacturing method
JP3887272B2 (en) Reading method of magnetic random access memory
JP2003229547A (en) Magnetic random access memory
WO2004066387A1 (en) Magnetic storage cell, magnetic memory device, and magnetic memory device manufacturing method
JP3971323B2 (en) Magnetic random access memory
JP2008085349A (en) Magnetic random access memory

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20041012

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050222

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050425

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20051108

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051121

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20051128

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20051216

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080526

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20080619

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110627

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees